DE1538832B2

DE1538832B2 - Antriebssystem mit einem schrittmotor

Info

Publication number: DE1538832B2
Application number: DE1966J0030977
Authority: DE
Inventors: Thorbjoern Roland Los Gatos Calif. Frederiksen (V.SlA.)
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1965-06-10
Filing date: 1966-06-02
Publication date: 1972-11-30
Also published as: ES327676A1; DE1538832A1; SE336017B; BE681434A; CH444309A; DE1538832C3; FR1482468A; NL157160B; JPS4420545B1; GB1105598A; NL6608046A; US3463985A

Description

1 §38 832

3 4

Schrittdiskriminators vorzugsweise eine Information Pol der Stromquelle 1 angeschlossen ist· Der posi-

darüber, ob sich der Motor in einer einer WJeklungs- tive Pol der Stromquelle ist über die Leitung 2 mit

kombination entsprechenden Schrittstellung °der den Emittern 3 bis 6 der Transistorschalter 7 bis 10

zwischen zwei solchen Schrittstellungen befindet, verbunden. Die Kollektoren 11 bis 14 der Schalter 7

wobei mit Hilfe einer von den Ausgangssignalen des 5 bis 10 sind an die Eingangsseite der Motprwicklun-

Schrittdiskriminators gesteuerten Schalteinrichtung gen ß_a, B₁, A₂, A₁ angeschlossen. Die Basis-

zuerst die Erregung des Einzelschrittfs-und darauf anschlüsse der "Transistorschalter 7 bis 10, über

bei Vorliegen der Information, daß sich der Motor wtlQhe die Verbindung der Stromquelle 1 mit der

zwischen zwei Schrittstellungen befindet, die Be- jeweils zugeordneten Wicklung gesteuert wird, sind

triebsart »Schnellgang« vorgesehen sind, Dabei ist to mit 15 bis 18 bezeichnet. Die Welle 20 des als Block

vorteilhaft der von den Ausgangssigna.len des 19 dargestellten Mptprs kann durch selektive Er-

Schrittdiskriminators gesteuerten Schalteinrightung regung der Wicklungen A₁, A₂, B₁, B₂ mit Hilfe der

eine Verzögerungsschaltung mit einstellbarer Ver- Schalter in Schritten von 1,8° weitergedreht werden,

zögerungszeit, die eine Einstellung des Zeitpunktes Durch Erregen bestimmter Wicklungen kann auf

des Einsetzens der Betriebsart »Schnellgan.g« er- 15 diese Weise einer vpn vier Schritten ausgewählt

möglicht, nachgeschaltet. werden. Um eine Drehung von 360° zu bewirken,

Die Erfindung wird an Hand eines durch Zeich- müssen somit 50 Gruppen dieser vier Sehritte vor-

nungen erläuterten AusführungsbeispieJes beschrie- handen sein.. Wie üblich, kann ein Nachführpptentio-

ben. Es zeigt " meter oder eine andere gleichartige Vorrichtung eine

Fig. 1 ein schematisches Bleekdiagramm für 20 Anzeige dafür liefern, auf welcher der SO Gruppen

einen bifilaren Schrittmotor mit 200 Schritten pro. zu vier Schritten die Welle jeweils steht.

Umdrehung, Dieses »J aus 5Q«-?Grobeinsteilsystem ist symbo-

F i g. 2 eine Tabelle, in der die relativen Ppsi- Jisch rriit η bezeichnet. F i g. 2 enthält eine Tabelle,

tionen der Motorachse bei Erregung der ept- die die verschiedenen Eingangssignale und die ent-

sprechenden Wicklungen des Motors eingetragen 25 sprechend erregten Wicklungen zur Erzielung einer

sind, vollständigen Umdrehung darstellt: Wenn also die

F i g, 3 a eine graphische Darstellung, in der di§ Welle 20 sich in der 0°-Lage befindet und die Wißk-

Drehkraft gegen die Drehlage der sich im Uhrzeiger- hingen A₁ und B₁ erregt werden, ist die endgültige

sinne drehenden Achse aufgetragen ist, wenn die Wellenlage Q° + η · 7,2°, da jede der 50 Grobeinstel-

Wicklung mit gleichförmiger Energie beauf- 30 lungen der Welle den Bereich von 7,2° umfaßt. In

schlagt ist, diesem FaHe bildet dieses Eingangssignal ein Stppp-

Fig. 3b eine graphische Darstellung, in der die kpmmandp, da sich der Rotor bereits in der Schritt-Drehkraft gegen die Drehlage der sich entgegen dem jage A₁, B₁ pder der Schrittart Nr. 1 befindet und Uhrzeigersinne drehenden Achse aufgetragen ist, η = 0 ist.

wenn die Wicklung mit gleichförmiger Energie be- 35 In ähnlicher Weise werden durch die Eingangsaufschlagt ist, signalkpmbination der Schrittart Nr. 2 die Wickr

F i g. 3 c eine graphische Darstellung der Drehkraft lungen A₁ und B₂ erregt, und dies ergibt eine Wellengegen die Drehlage der Achse, wenn die erregten lage von 1,8° + η > 7,2°, oder 1,8° von der UrWicklungen mit der augenblicklichen Drehlage über- sprungslage entfernt. Insgesamt sind vier Typen von einstimmen, 4Q Eingangssignalkpmbinatipnen, Nr. 1 bis Nr. 4, vor-

F i g. 3 d eine graphische Darstellung der Dreh- handen, so daß sich bei jeder der 50 Grobejnstel-

kraft gegen die Drehlage der Achse, wenn die Motor- Jungen vier diskrete, feine Schritte ergeben, die um

wicklungen zum Lauf im Schnellgang erregt werden, 1,8° vpneinander getrennt sind und die durch die

Fig. 4 eine schematische Darstellung des Schritt- Erregung entsprechender . Motorwicklungen aus-

diskriminators, 45 gewählt werden können. Dies ist das übliche Ver-

F i g. 5 ein Impulsdiagramm mit den vom Schritt- fahren zur Betätigung eines bifilaren Synchron^

diskriminator erzeugten Impulsen, induktionsmotors mit 200 Schritten. Die Schritte err

Fig. 6 eine Tabelle, die die Motor-Eingangs- folgen in der Reihenfolge 4, 1, 2, 3, 4, 1 usw. Die

signale in Abhängigkeit von den Signalen des Schritte vier Eingangssignalkpmbinationen ergeben daher

diskriminators und der Eingangsbefehle enthält, 50 200 diskrete, statipnäre Wellenlagen, die jeweils um

Fig. 7 ein schematisehes Schaltbild des lpgischen 1,8° vpneinander entfernt sind. Dabei wird, wie ge^

Umsetzers, sagt, zur Drehung der Welle die Erregung des Mo-

F i g. 8 ein schematisches Schaltbild für die vari- tors für einen Schritt bewirkt, der an die augenblick^

ierbare Geschwindigkeitssteuerung und liehe Wellenstellung angrenzt. Diese Erregung für

F i g. 9 ein Diagramm mit der für die Pole des 55 direkt aufeinanderfolgende Schritte wird wiederholt,

Schrittmotors charakteristischen Hysteresekurve. bis die gewünschte Wellenlage erreicht ist.

In F i g. 1 ist ein schematisches Blockdiagramm Aus dem Gesagten geht hervor, daß γοη einer beeines Synchronr-InduktionsschrittmotPrs mit bifilaren stimmten statipnären Weilenjage aus sich nur vier Wicklungen dargestellt, der mit 200 Schritten eine verschiedene Verknüpfungen vpn Eingangssignalen Umdrehung ausführt. Eine ausführliche Beschrej- 60 mit Drehungen der MPtPrweJJe einleiten lassen? Wie bung dieses Motortyps und seiner Wirkungsweise ist npch zu erläutern sein wird, werden diese wie folgt enthalten in dem Artikel: »Characteristics of a Synr benannt und definiert: »Stppp« (die der derzeitigen chrpnpus Inductor Mptor« von Arthur E. SnpwdPη Wellenstellung entsprechenden Wicklungen werden und Elmer W. Mad sen, veröffentlicht in >>Appli- erregt), »Rechts* (der Motor wird so erregt, daß er cations and Industry« in der Ausgabe vom März 65 im Uhrzeigersinne eine Bewegung um einen Schritt 1962. Die bifilaren Wicklungen des Schrittmptprs _Vpn 1,8^ ausführt), »Links« (der MPtPr wird sp ersind mit A₁, A₂ bzw. B₁, B₂ bezeichnet, C stellt die regt, daß er sieh entgegengesetzt dem Uhrzeigersinne gemeinsame Rückleitung dar, die an den negativen um einen Sehritt von 1,8° weiterbewegt), »Schneljr

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gang« (der Motor wird erregt für einen Schritt, der sich der Rotor in Stellungen entsprechend den Eingrob 3,6° in einer der beiden Richtungen beträgt). gangssignalkombinationen 2, 3 und 4 befindet. Eine

Für jedes dieser Eingangskommandos ergibt sich Drehung der Scheibe 21 im Uhrzeigersinne um einen eine bestimmte Beziehung von Drehkraft und Wellen- Schritt oder 1,8° würde z. B. dazu führen, daß die lage. Nach Erreichen des eingeschwungenen Zu- 5 optische Achse 35 der Lichtquelle 31 und des Photostandes des Eingangssignals hat -die auf die als transistors 27 durch eines der Löcher 24 hindurchstationär angenommene Welle ■ einwirkende Dreh- geht. Der Phototransistor 27 würde daher erregt werkraft qualitativ die in den Fig. 3a, 3b, 3c und 3d den und anzeigen, daß die Welle 22 sich in Schrittgezeigte Größe. Aus den F i g. 3 a bis 3 d ist zu ent- lage 2 befindet. Gleichzeitig würde in diesem Falle nehmen, daß sowohl eine »Stopp«- als auch eine io die optische Achse 36 der Lichtquelle 32 und des »Schnellgang«-Eingangs-Signalkombination im Ideal- Phototransistors 28 auf einen undurchsichtigen Befalle die Drehkraft σ bei der Verschiebung σ ergeben. reich der Scheibe 21 auftreffen, so daß diese optische Während jedoch die »Stopp«-Position jedem Ver- Verbindung unterbrochen wäre. Bei einer weiteren such, die Welle zu bewegen, entgegenwirkt, veranlaßt Drehung der Scheibe 21 im Uhrzeigersinne um 1,8° im »SchnellgangÄ-Betrieb eine solche Störung die 15 würde die optische Achse 34 der Lichtquelle 30 und Welle, sich in der Richtung der Störung um zwei des Phototransistors 26 durch eines der Löcher 24 Schritte weiterzubewegen. Um also eine gewünschte in der Scheibe 21 hindurchgehen, und dies würde Motorbewegung einleiten zu können, braucht nur die anzeigen, daß sich die Welle in Schrittlage 3 befinjeweilige Schrittposition, die die Welle einnimmt, be- det. Schließlich würde bei der nächsten Drehung um kannt zu sein. Wenn weiterhin diese Information in 20 1,8° im Uhrzeigersinne die optische Achse 33 der einem geschlossenen Steuerstromkreis dauernd zur Lichtquelle 29 und des Phototransistors 25 durch Verfügung steht und dazu verwendet wird, die Ein- eines der Löcher in der Scheibe hindurchgehen und C gangssignale entsprechend zu ändern, erhält man die Schrittlage 4 anzeigen. * I eine kontinuierliche Motordrehung. Der Steuerstrom- Die Phototransistoren 25 bis 28 sind durch diöj^ kreis hat somit die Aufgabe, einen innerhalb von 25 Leitungen 37 bis 40 mit dem Umsetzer 41 verbungrößeren Abschnitten kontinuierlichen Lauf des den, dessen Ausgangssignale über die Leitungen 42 Schrittmotors entsprechend den oben angeführten bis 45 den Motorwicklungen A₁, A₂, B₁, B₂ zugeführt vier Grundbetriebsarten herbeizuführen. Im allge- werden. Die Erregung der Leitung 42 und der ihr meinen muß das System außer dem Schrittmotor zugeordneten Wicklung A₁ sowie der Leitung 44 und einen Schrittdiskriminator und eine logische Schal- 30 der ihr zugeordneten Wicklung B₁ (s. Tabelle in tung enthalten, die imstande ist, Steuerentscheidun- F i g. 2) bildet also eine Eingangssignalkombination gen sowohl auf Grund einer binär arbeitenden vom Typ 1 oder für den Schritt 1. Weiter führen vier Rückkopplung als auch des Eingangskommandos zu Eingangsleitungen 46 bis 49 an den Umsetzer 41. treffen. Gemäß F i g. 4 bedeuten: Leitung 46 den Eingang

Die Steuerschleife kann in verschiedener Weise 35 für »Stopp«, Leitung 47 für »Rechts«, Leitung 48 aufgebaut sein. Eine Anordnung, die sich als sehr für »Links« und Leitung 49 für »Schnellgang«. Zur leistungsfähig erwiesen hat, ist in F i g. 4 dargestellt. Sicherung der Eindeutigkeit der Anzeige des Schritt-Diese Figur zeigt einen Schrittdiskriminator, der die diskriminators ist das Abfühlintervall auf einen haiaugenblickliche Rotorlage feststellt, ohne Rücksicht ben Schritt begrenzt, so daß ein »Dunkelraum« von darauf, ob der Motor sich dreht oder stillsteht. Die 40 0,9° jeweils zwischen benachbarten Schrittanzeigen dünne, undurchsichtige Scheibe 21 ist fest auf der bleibt. Die Impulsdiagramme in F i g. 5 veranschau-Welle 22 des Schrittmotors 23 angebracht. 50 kleine liehen die Ausgangssignale des Schrittdiskriminators. Öffnungen oder durchsichtige Löcher 24 sind in Ab- Auch die Summe der vier Signale ist dargestellt, da ständen von 7,2° und in gleichmäßiger Entfernung diese Angaben für die später beschriebene Betriebs- (f von der Drehachse der Scheibe angeordnet. Vier 45 art mit synchroner Geschwindigkeit benötigt wird. Phototransistoren 25 bis 28 mit den zugeordneten Im Betrieb wird der Schrittdiskriminator durch Lichtquellen 29 bis 32 sind jeweils 23,4° voneinander den Motor 23 in eine der vier Schrittlagen gedreht, entfernt so angebracht, daß ihre optischen Achsen Es sei angenommen, daß er zunächst die Schrittlage 1 33 bis 36 beim Drehen der Scheibe 21 durch die habe. In diesem Falle geht die optische Achse 36 Löcher 24 hindurchgehen. Die Scheibe 21 ist in be- 50 der Lichtquelle 32 und des Phototransistors 28 durch zug auf die Welle 22 so angeordnet, daß bei Er- eines der Löcher 24 in der Scheibe 21 hindurch. Daregung des Motors 23 durch eine Eingangssignal- bei liefert der Phototransistor 28 über die Leitung kombination vom Typ 1 die optische Achse 36 der 40 an den Umsetzer 41 die Anzeige, daß dies die Lichtquelle 32 und des Phototransistors 28 durch tatsächliche Lage der Welle 22 des Motors 23 ist. ein Loch in der Scheibe hindurchgeht, wodurch an- 55 Der Umsetzer 41, der an Hand von F i g. 7 noch im gezeigt wird, daß sich die Welle 22 in der Schritt- einzelnen beschrieben wird, empfängt diese Anzeige lage 1 befindet. Während dieser Eingangssignal- des Schrittdiskriminators, kombiniert sie mit dem jekombination vom Typ 1 (s. Fi g. 4) befindet sich weiligen Eingangsbefehl und setzt diese beiden Einkeine andere Lichtquelle mit ihrem Phototransistor gangswerte in entsprechende Signale auf den Leiin optischer Verbindung, da jeweils ein undurch- 60 tungen 42 bis 45 um, wodurch der Schrittmotor entsichtiger Teil der Scheibe dazwischen liegt. Es wird sprechend dem Eingangsbefehl arbeitet. Zur- Veraiso nur eine einzige Anzeige dafür erzeugt, daß die anschaulichung sei angenommen, daß der Eingangs-Welle sich in einer der Eingangssignalkombination befehl ein »Stopp«-Befehl ist. Da entsprechend der vom Typ 1 entsprechenden Lage befindet. Ebenso gemachten Annahme die optische Achse 36 der steht infolge der Wechselwirkung zwischen den Posi- 65 Lichtquelle 32 und des Phototransistors 28 durch tionen der Löcher in der Scheibe und den Ab- ein Loch der Scheibe 21 hindurchgeht und dies anständen der Lichtquellen-Photozellen-Paare jeweils zeigt, daß der Motor die Schrittlage 1 einnimmt, gibt nur eine einzige Anzeige dafür zur Verfügung, daß in diesem Falle der Umsetzer 41 ein Signal zu den

Wicklungen ^₁ und B₁, so daß sich der Motor nicht Eingangssignal im Falle eines »Schnellgang«-Befehls

weiterdreht und magnetisch festgehalten wird. über die Leitung 98 betätigt. Entsprechend wird die

Ebenso erregt der Umsetzer 41 bei Empfang eines Torschaltung 103 über Leitung 99 durch den

»RechtSÄ-Eingangsbefehls durch ein Signal die »Links«-Eingangsbefehl betätigt, die Torschaltung

Wicklungen A₁ und B₂, wodurch der Motor um einen 5 104 über Leitung 100 durch den Befehl »Stopp« und

Schritt im Uhrzeigersinne weitergedreht wird. Wenn die Torschaltung 105 über Leitung 101 durch den

der Umsetzer 41 das »Links«-Eingangssignal emp- Befehl »Rechts«.

fängt, erregt er die Wicklungen A₂ und B₁. Dadurch Zur Beschreibung der Arbeitsweise sei angenom-

wird der Motor zu einer Drehung um einen Schritt men, daß die Photozelle 28 des Schrittdiskriminators

entgegen dem Uhrzeigersinne veranlaßt. Die Arbeits- io derart betätigt wird, daß das Ausgangssignal des

weise des Umsetzers wird im einzelnen noch er- Photozellen-Verstärkers 50 und der Leitung 54 das

läutert werden. Null-Potential ist. In diesem Falle haben die an-

Die Tabelle in F i g. 6 zeigt die durch den Um- deren Ausgangsleitungen 55, 56 und 57 der Photosetzer erzeugten Motor-Eingangssignale, die durch zellenverstärker 51, 52 und 53 eine negative Spandie verschiedenen Eingangsbefehle ausgelöst werden. 15 nung. Die auf der Ausgangsleitung 54 des Verstär-Wenn z. B. der Schrittdiskriminator anzeigt, daß der kers 50 erscheinende Spannung gelangt über die Rotor sich in der Schrittlage 1 befindet, erzeugt ein Trenndiode auf die Leitung 74 und bewirkt, daß »Stopp«-Eingangsbefehl eine Motoreingangssignal- FFl eingestellt wird, so daß dessen Ausgangsleitunkombination vom Typ 1. Wenn der Schrittdiskrimi- gen die in Fig. 7 gezeigten Spannungen Null und nator anzeigt, daß der Rotor sich in Schrittlage 1 be- 20 Minus führen. Ebenso gelangt das auf der Leitung findet, ist das Ergebnis eines »Schnellgangs«-Ein- 54 zugeführte Null-Potential über Leitung 59 und gangsbefehles die Motoreingangssignalkombination die Trenndiode auf die Leitung 76 und stellt FF 2 vom Typ 3. Der Grund für diesen Zwei-Schritte- ein. Ferner gelangt das Null-Potential über Leitung Sprung im »Schnellgang«-Betrieb wird noch näher 66 durch die Trenndiode auf die Leitung 78 und beerläutert werden. Weiterhin kann der Tabelle in 25 wirkt, daß FF 3 eingestellt wird. Schließlich wird Fig. 6 entnommen werden, daß, wenn z.B. der das Null-Potential über eine Trenndiode über die Schrittdiskriminator anzeigt, daß sich der Rotor in Leitung 67 auf die Leitung 81 gebracht und bewirkt, Schrittlage 3 befindet, der Eingangsbefehl »Rechts« daß FF 4 eingestellt wird. FFl bis FF 4 bleiben in die Motorsignalkombination vom Typ 4 zum Ergeb- dem Zustand, auf den sie eingestellt worden sind, nis hat. 30 bis sie durch ein anderes Eingangssignal · aus den

Die Tabelle in F i g. 2 zeigt, daß die Motor- Photozellenverstärkern erregt werden. Die Leitung eingangssignalkombination für den Schritt 3 die Um- 74 und die damit verbundene Leitung 83 verbleiben kehrung der Motoreingangssignalkombination für also auf Null-Potential, so daß über Leitung 83 das den Schritt 1 ist und daß die Eingangssignalkombi- Null-Potential an den Eingang der Torschaltung 102 nation für den Schritt 4 die Umkehrung derjenigen 35 gelangt. Ebenso ist die Leitung 76 aus FF 2 auf Nullfür den Schritt 2 ist. Dieses Umkehrverhältnis wird Potential. Daher gelangt das Null-Potential über Leiin dem in F i g. 7 dargestellten Umsetzer ausgenutzt. tung 85 zu einem weiteren Eingang der Torschaltung Die Ausgangssignale des Diskriminators, also die der 102. In gleicher Weise wird das Null-Potential an die Photozellen 25 bis 28 werden einzeln den Verstär- Eingangsleitungen 87 und 88 für die Torschaltung kern 50 bis 53 zugeführt, deren Ausgangssignale über 40 103 gelegt. Ebenso wird den Eingangsleitungen 90 die Ausgangsleitungen 54 bis 57 weitergeleitet wer- und 92 der Torschaltung 104 und den Eingangsden. In dem Umsetzer werden vier Flipflops FFl, leitungen 94 und 97 der Torschaltung 105 das NuIl-FF 2, FF 3 und FF 4 verwendet, welche Eingangs- Potential zugeführt. Die erwähnte Betätigung der bzw. Ausgangsleitungen 74 bis 81 aufweisen. Die Photozelle 28 zeigt an, daß der Rotor des Schritt-Flipflops sind in F i g. 7 zur Vereinfachung der · 45 motors sich in Schrittlage 1 befindet. Wenn nun das Zeichnung so dargestellt, daß der Eingang des Flip- Eingangssignal »Stopp« über die Leitung 100 dem flops auch dessen Ausgang bildet. FFl bis FF 4 sind Umsetzer zugeführt wird, müssen die Motorwicklunherkömmliche Flipflops, bei denen,.wenn als logische gen derart erregt werden, daß der Rotor gesperrt Spannungspegel das Nullpotential und eine negative wird und sich nicht bewegt. In diesem Falle wird das Spannung verwendet werden, ein dem Flipflop zu- 50 Null-Potential über die Torschaltung 104 sowohl an geführtes Null-Eingangssignal zur Folge hat, daß die Leitung 114 und über die Leitung 122 an den eine zugeordnete Ausgangsleitung auf Null-Potential Eingang des Leistungstreibers 126 gelegt, der die liegt und die andere Ausgangsleitung die negative Wicklung A₁ erregt, als auch an die Leitung 116 und Spannung führt. In diesem Zustand bleiben die über die Leitung 124 an den Leistungstreiber 128, Flipflops bis sie durch Anlegen von Spannungen an 55 der die Wicklung B₁ erregt. Falls also das Eingangsdie Eingangsleitungen entgegengesetzt erregt werden. signal »Stopp« dem Umsetzer zugeleitet wird, wäh-Die Ausgangsleitungen 54 bis 57 der Photozellen- rend die Photozelle 28 erregt ist und damit anzeigt, verstärker sind über Trenndioden 130 mit den Ein- daß sich der Rotor in der Schrittlage 1 befindet, wergangs-Ausgangs-Leitungen der Flipflops FFl bis den die Wicklungen A₁ und B₁ erregt, und dies ist FF4 durch die Leitungen 58 bis 73 verbunden. 60 gemäß der Tabelle in Fig. 2 die Eingangssignal-Außerdem sind die Eingangs-Ausgangs-Leitungen kombination vom Typ 1, Der Rotor bewegt sich also der Flipflops FFl bis FF 4 durch die Leitungen 82 nicht und wird magnetisch festgehalten. Wenn nun bis 97 an die Torschaltungen 102 bis 105 angeschlos- der Rotor in der Schrittlage 1 ist und das Eingangssen. Die Ausgänge 106 bis 121 der Torschaltungen signal "»Rechts« über die Leitung 101 übertragen 102 bis 105 sind durch Leitungen 122 bis 125 mit 65 wird, wird über die Leitungen 118 und 122 das Nullvier Leistungstreibern 126 bis 129 verbunden, die Potential an den Leistungstreiber 126 gelegt und daan die Motorwicklungen A₁, A₂, B₁ und B₂ ange- durch Wicklung A₁ erregt. Ebenso wird über die Lei» schlossen sind. Die Torschaltung 102 wird durch ein tungen 121 und 125 das Null-Potential an den Lei-

stungstreiber 129 gelegt, wodurch die Wicklung B₂ erregt wird. Dies ist gemäß F i g. 2 die Wicklungskombination, die erregt werden muß, damit sich der Rotor in die Schrittlage 2 dreht. Entsprechendes gilt für die Eingangsleitungen 98 und 99 der »Schnellgang«-Torschaltung 102 und der »LinksÄ-Torschaltung 103. Während die Ausgangsignale des Schrittdiskriminators, die den Photozellenverstärkern 50 bis 53 zugeleitet werden, wechseln und dadurch die Flipflops FFl bis FF 4 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 Motorschritt, 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 z. B. 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 F i g. 6 der Motor für Schritte erregt wird, die um 2¹A Einzelschrittbreiten von der jeweiligen Rotorlage entfernt sind, wobei jedoch die verzögerte Drehkraft noch rechtzeitig auftritt, um eine relativ große 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 Weicheisenteilen 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 F i g. 9 dargestellt, ist die Änderung — AH der magnetischen Feldstärke erforderlich, um die Magnetisierung von +B_s auf —B_s umzukehren, und die Änderung + AH, um von —B_s auf +B_s umzumagnetisieren, wobei H 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

daher wird die Zeit A t gebraucht, um die Änderung Δ H (oder — A H) zu erreichen. Während dieser Zeitverzögerung At bewegt 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 zu spät erfolgt, eine Drehkraft in der urngekehrten Richtung entwickelt und dadurch der Rotor gebremst. ^:

Auf Grund einer genaueren und mathematisch fundierten, analytischen Untersuchung kann unterstellt werden, daß für die meisten Schrittmotoren der beschriebenen Art die Voreilung von 2¹A Schritten bezüglich der Wicklungserregung genügend groß ist, so daß

2,25· 2 ir

W„ ■ A t < ■

200

ίο ist, wobei W_ss 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

2,25 ·2 η

W_s-At:

200

ist, wobei W_s die sogenannte synchronisierte Geschwindigkeit ist, die von der Voreilung der Magnetisierung und dem durch die Reibungskräfte bewirkten Schlupf abhängt.

PF₅ = F(I,/).

Diese Theorie wird durch Experimente erhärtet^.

Wenn z. B. ein im »Schnellgang« im Uhrzeigersinne laufender Schrittmotor auf normalen Gang im Uhrzeigersinne umgeschaltet wird, bremst der Rotor scharf ab, bis die niedrige synchronisierte Geschwindigkeit erreicht ist und behält diese bei.

Wie schon 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 unvorhersagbar. Daher muß die Drehung des Motors zuerst in die gewünschte Richtung gebracht werden, bevor die Umschaltung in den »Schnellgang« erfolgt. Die Schaltung in F i g. 7 zeigt, daß sich während der Drehung der Schrittmotorwelle der Zustand der Flipflop FFl bis FF 4 ständig derart ändert, daß während des Schnellbetriebes eine von der jeweiligen Rotorlage um 2¹A Schritte entfernte Wicklung erregt wird, die Schnelloperation also durchgeführt wird.

F i g. 8 zeigt ein Blockdiagramm einer Einrichtung,

mit der veränderliche Geschwindigkeiten beim »Schnellgang« erreichbar sind. Gemäß F i g. 8 führen die Eingangsleitungen 131 bis 134, die vom Schrittdiskriminator kommen, in die invertierende UND-Schaltung 140 sowie über die Leitungen 135 bis 138 in den Umsetzer 139, dessen Ausgang in Wirkverbindung mit den Wicklungen des Schrittmotors steht. Das Ausgangssignal der UND-Schaltung 140 wird über die Leitung 141 und den Inverter 142 über die Leitung 143 zu der variierbaren Verzögerungseinrichtung 144 übertragen. Das Ausgangssignal der Verzögerungseinrichtung 144 gelangt über die Leitung 145 zur Leitung 146, an die der Inverter 147 angeschlossen ist, dessen Ausgangssignal über die Leitung 148 dem Umsetzer 139 zugeführt wird. Außerdem ist an die Leitung 148 die »SchnellgangÄ-Leitung 162 angeschlossen. Ebenso ist die Leitung 146 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 an-

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geschlossen, die einen Eingang der invertierenden wodurch die »RechtSÄ-Torschaltung im Umsetzer UND-Schaltung 156 bildet, welche ihr anderes Ein- abgeschaltet wird. Gleichzeitig wird die negative gangssignal über die Leitung 157 vom »Links«- Spannung auf Leitung 146 im Inverter 147 um-Signaleingang empfängt. Das Ausgangssignal der gekehrt und der »Schnellgang«-Leitung 148 zuUND-Schaltung 156 wird über die Leitung 158 und 5 geführt, wodurch der Umsetzer auf »Schnellgang«- den Inverter 159 über die Leitung 160 zum Umsetzer Betrieb umgeschaltet wird.

139 übertragen. Das »Stopp«-Eingah§ssignal wird Durch die Verzögerungseinrichtung 144 wird die

dem Umsetzer über die Leitung 161 zugeführt. Dauer des Anlegens der negativen Spannung an die

Im Betriebszustand hat, wenn der Schrittmotor im Leitung 146 in der Weise gesteuert, daß sie wirksam

Stillstand ist, das über die Leitung 141 übertragene io wird, nachdem sich der Rotor um eine bestimmte

Ausgangssignal der UND-Schaltung 140 ein nega- Strecke bewegt hat, so daß ihr Vorsprung kleiner als

tives Potential, da nicht alle über die Leitungen 131 2¹A Schritte aber größer als 1 Schritt ist, oder daß

bis 134 zugeführten Eingangssignale gleich sind. in dem hier gezeigten Falle eines Va Schritt langen

Dies beruht darauf, daß eine der Photozellen Licht »Dunkelraumes« der Vorsprung kleiner als I³A,

abfühlt und daher eine der Leitungen 131 bis 134 15 aber größer als I¹A Schritte ist. Wird das Anlegen

am Null-Potential liegt, während die anderen drei der negativen Spannung an die Leitung 146 ver-

Leitungen eine negative Spannung aufweisen. In zögert, bis die »Dunkelraum«-Zeit fast vollständig

diesem Falle erscheint das durch den Inverter 142 verstrichen ist, liegt die Geschwindigkeit des Motors

invertierte Ausgangssignal der UND-Schaltung 140 nur wenig über dem Normalbetrieb, wenn aber die

als Null-Potential auf den Leitungen 143, 145, 146, 20 negative Spannung kurz nach Beginn des »Dunkel-

149 und 155. Wenn angenommen wird, daß der raumes« angelegt wird, erhöht sich die Umlauf-

»Rechts«-Eingang durch Zuführung des Null-Poten- geschwindigkeit des Motors stark. Durch Ändern

tials an die Leitung 150 erregt wird, so liefert die der Zeit des Anlegens des Null-Potentials an die Lei-

invertierende UND-Schaltung 151 ein negatives Aus- tung 146 können somit verschiedene Geschwindig-

gangssignal zur Leitung 152, und daher wird nach 25 keiten ausgewählt werden. Der Bereich der verfüg-

Invertierung im Inverter 153 über die Leitung 154 baren Geschwindigkeiten kann noch erhöht werden,

das Null-Potential zum Umsetzer 139 übertragen. In dem hier gezeigten Falle beträgt die Länge des

Die »Rechts«-Torschaltung wird im Umsetzer er- »Dunkelraumes« einen halben Schritt oder 0,9°. Das

regt, so daß der »Rechts«-Betrieb beginnt, und der Gesichtsfeld der Photozellen läßt sich praktisch noch

Motor sich im Uhrzeigersinne dreht. Die Leitung 148 30 mehr einengen, wodurch man mehr »Dunkelraum«

führt jetzt eine negative Spannung, da das Null- erhält. Es kann z. B. erreicht werden, daß der

Potential auf Leitung 146 im Inverter 147 umgekehrt »Dunkelraum« erscheint, nachdem sich der Rotor

wird. Ebenso gelangt auf die Leitung 160 eine nega- um ¹A Schritt in der befohlenen Richtung gedreht

tive Spannung, da infolge der über die Leitung 155 hat.

der UND-Schaltung 156 zugeführten negativen Span- 35 Der Eintritt in den »Schnellgange-Betrieb, be-

nung das Ausgangssignal auf Leitung 158 Null- einfiußt durch die veränderliche Verzögerungsvor-

Potential hat und dieses nach Umkehrung im In- richtung, erfolgt somit automatisch. Ebenso wird das

verter 159 eine negative Spannung auf Leitung 160 »Stopp«-Eingangssignal zum Abbremsen und zum

zur Folge hat. magnetischen Anhalten verwendet.

Nach dem Durchlaufen einer kurzen Strecke trifft 40 Die variierbare Verzögerungseinrichtung ist nicht der Schrittdiskriminator auf einen »Dunkelraum«, so im einzelnen beschrieben, da verschiedene Arten von daß die der UND-Schaltung 140 über die Leitung Einrichtungen verwendet werden können, z. B. ein 131 bis 134 zugeführten Eingangssignale sämtlich monostabiler Multivibrator. Ebenso befaßt sich die negativ sind. Das Ausgangssignal der UND-Schal- Beschreibung nicht mit der externen Servosteuerung, tung 140 wird daher gleich Null und erscheint in 45 die das Anlegen von Spannungen an die Eingangsseiner Umkehrung im Inverter 142 als negative leitungen steuert, durch welche der »Rechts«-, der Spannung auf den Leitungen 143, 145, 146, 149 »Links«-, der »Stopp«- und der »SchnellgangÄ-Be- und 155. Beim Vorliegen dieser negativen Spannung trieb bewirkt werden. Das Treffen von Entscheidunauf Leitung 149 wird das Ausgangssignal der UND- gen dieser Art mittels Geschwindigkeits-, Fehler-Schaltung 151 auf Leitung 152 gleich Null, und das 50 und anderer Eingangs- und Rückkopplungsinforma- »Rechts«-Eingangssignal, das dem Umsetzer zu- tion zur Ausnutzung des vorliegenden Systems gegeführt wird, wird zu einer negativen Spannung, hört nicht in den Rahmen der Erfindung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 daß nur da§ der jeweiligen Schrittstellung entPatentansprüche: sprechende jighternpfindiiehe Element von einer mit diesem zusammenwirkenden Lichtquelle be-

1. Antriebssystem, insbesondere für Servo^ einflußt wird.
Steuerungen, mit einem mehrere Wicklungen auf- 5

weisenden Schrittmotor, dessen" einzelne Schritt-

Stellungen durch die periodisch- sich wiederholende Erregung bestimmter Wicklungskombinationen gegeben sind, sowie mit einem geschlos- Die Erfindung bezieht sich auf ein Antriebssystem, senen Steuerkreis, bestehend aus einem Schritt- io insbesondere für Servosteuerungen, mit einem mehdiskriminator, der die jeweilige Schrittlage des rere Wicklungen aufweisenden Schrittmotor, dessen Schrittmotors feststellt, und einem logischen einzelne §chrittstellungen durch die periodisch sich Umsetzer, der auf Grund des jeweils vom Schritt- wiederholende Erregung bestimmter Wicklungsdiskriminator abgegebenen Signals und des je^· kombinationen gegeben sind, sowie mit einem geweils eingegebenen Eingangsbefehls die zur Aus,- 15 schlossenen Steuerkreis, bestehend aus einem Schrittführung des gewünschten Schrittes erforderliche diskriminator, der die jeweilige Schrittlage des Wicklungskombinatipn des Schrittmotors an-- Schrittmotors feststellt, und einem logischen Umsteuert, wobei bei einem Schrittmotor mit vier, setzer, der auf Grund des jeweils vom Schrittdiskriverschiedenen" Wicklungskombinationen entspre- minators abgegebenen Signals und des jeweils einchenden Schrittstellungen die Betriebsarten 20 gegebenen Eingangsbefehls die zur Ausführung des »Rechtslauf« (der Motor führt von der jeweiligen gewünschten Schrittes erforderliche Wicklungs-Schrittlage einen Schritt im Uhrzeigersinne aus), kombination des Schrittmotors ansteuert, wobei bei £■ »Linkslauf« (der Motor führt von der jeweiligen einem Schrittmotor mit vier verschiedenen Wick- * | Schrittlage einen Schritt entgegen dem Uhrzeiger- lungskombinationen entsprechenden Schrittstellun-^ sinne aus) und »Stop« (die der augenblicklichen 25 gen die Betriebsarten »Rechtslauf« (der Motor führt Schrittstellung entsprechende Wicklungskombi- von der jeweiligen Schrittlage einen Schritt im Uhrnation wird erregt) gegeben sind, dadurch zeigersinne aus), »Linkslauf« (der Motor führt von gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Be^ der jeweiligen Schrittlage einen Schritt entgegen dem triebsart »Schnellgang« vorgesehen ist, bei der Uhrzeigersinne aus) und »Stop« (die der augenblickeine Wicklungskombination erregt wird, deren 30 liehen Schrittstellung entsprechende Wicklungszugeordnete Schrittstellung etwa zwei Schritte kombination wird erregt) gegeben sind,
von der augenblicklichen Schrittstellung entfernt Bei derartigen bekannten Antriebssystemen wird liegt und die zur Durchführung von mindestens der Schrittdiskriminator beispielsweise gebildet durch zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden Schritten lichtelektrische Zellen, deren Anzahl den durch die in einer Richtung nach Erregung eines Einzel- 35 verschiedenen Wicklungskombinationen gebildeten Schrittes mit vorgegebener Richtung einschalt- verschiedenen Schrittstellungen entspricht, und durch bar ist. eine mit den lichtelektrischen Zellen zusammen-

2. Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch wirkende, auf der Achse des Schrittmotors befestigte gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale des Lochscheibe, deren öffnungen derart angeordnet Schrittdiskriminators (21, 24 bis 32) eine Infor- 4° sind, daß nur die der jeweiligen Schrittstellung entmation darüber, ob sich der Motor in einer einer sprechende lichtelektrische Zelle von einer mit ihr Wicklungskombination entsprechenden Schritt- zusammenwirkenden Lichtquelle beeinflußt wird stellung oder zwischen zwei solchen Schrittstel- (USA.-Patentschrift 3 096 467).

lungen befindet, enthalten und daß mit Hilfe Beim normalen Betrieb von bifilaren Synchron- *

einer von den Ausgangssignalen des Schrittdis- 45 Induktions-Schrittmotoren erfolgt die Erregung der

kriminators gesteuerten Schalteinrichtung zuerst Wicklungen zur Herbeiführung der Schrittbewegung

die Erregung des Einzelschrittes und darauf bei für jeden Schritt jeweils nach Beendigung des vor-

Vorliegen der Information, daß sich der Motor hergehenden Schrittes. Bei dieser aufeinanderfolgen-

zwischen zwei Schrittstellungen befindet, die Be- den Erregung von Wicklungen ist die Geschwindig-

triebsart »Schnellgang« vorgesehen sind. 50 keit des Rotors wegen verschiedener Verzögerungen,

3. Antriebssystem nach Anspruch 2, dadurch wie z. B. durch Hysterese, auf einen relativ niedrigen gekennzeichnet, daß der von den Ausgangs- Wert begrenzt.

Signalen des Schrittdiskriminators gesteuerten Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfin-Schalteinrichtung eine Verzögerungsschaltung dung, ein Antriebssystem mit einem Schrittmotor zu (144) mit einstellbarer Verzögerungszeit, die eine 55 schaffen, bei dem bei einer Bewegung von mehr als Einstellung des Zeitpunktes des Einsetzens der einem Schritt in einer Richtung eine höhere GeBetriebsart »Schnellgang« ermöglicht, nach- schwindigkeit als bei den bekannten Systemen ergeschaltet ist. zielt wird. Diese Aufgabe wird bei dem anfangs ge-

4. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 nannten Antriebssystem erfindungsgemäß dadurch bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt- 60 gelöst, daß zusätzlich eine Betriebsart »Schnellgang« diskriminator gebildet wird durch lichtempfind- vorgesehen ist, bei der eine Wicklungskombination liehe Elemente (25 bis 28), deren Anzahl den erregt wird, deren zugeordnete Schrittstellung etwa durch die verschiedenen Wicklungskombinatio- zweLSchritte von der augenblicklichen Schrittstellung nen gebildeten Schrittstellungen entspricht, und entfernt liegt und die zur Durchführung von mindurch eine mit den lichtempfindlichen Elementen 65 destens zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden (25 bis 28) zusammenwirkende, mit der Achse Schritten in einer Richtung nach Erregung eines des Schrittmotors verbundene Lochscheibe (21), Einzelschrittes mit vorgegebener Richtung einschaltderen öffnungen (24) derart angeordnet sind, bar ist. Hierbei enthalten die Ausgangssignale des