DE1538832C3

DE1538832C3 - Verfahren und Anordnung zur Drehzahlsteuerung eines Schrittmotors

Info

Publication number: DE1538832C3
Application number: DE1538832A
Authority: DE
Inventors: Thorbjoern Roland Los Gatos Calif. Fredriksen (V.St.A.)
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1965-06-10
Filing date: 1966-06-02
Publication date: 1978-11-30
Also published as: BE681434A; SE336017B; ES327676A1; US3463985A; GB1105598A; DE1538832B2; NL157160B; FR1482468A; JPS4420545B1; DE1538832A1; NL6608046A; CH444309A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung zur Drehzahlsteuerung eines vierphasigen Schrittmotors mit Permanentmagnetrotor und zwei gegensinnigen Wicklungen je Phasenpaar gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solches Verfahren wird zur Steuerung eines Schrittmotors nach der DE-AS 67 963 angewendet.

Der Schrittdiskriminator kann beispielsweise durch lichtelektrische Zellen gebildet sein, deren Anzahl den durch die verschiedenen Wicklungskombinationen bedingten, verschiedenen Schrittstellungen entspricht, und durch eine mit den lichtelektrischen Zellen zusammenwirkende, auf der Welle des Schrittmotors befestigte Lochscheibe, deren öffnungen derart angeordnet sind, daß nur die der jeweiligen Schrittstellung entsprechende lichtelektrische Zelle von einer mit ihr zusammenwirkenden Lichtquelle beleuchtet wird (US-PS 30 96 467). Beim normalen Betrieb von vierphasigen Schrittmotoren mit Permanentmagnetrotor und zwei gegensinnigen Wicklungen je Phasenpaar erfolgt die Erregung der Wicklungen zur Herbeiführung der Schrittbewegung für jeden Schritt jeweils nach Beendigung des vorangehenden Schrittes. Bei dieser aufeinanderfolgenden Erregung von Wicklungen ist die Rotordrehzahl wegen verschiedener Verzögerungen, z. B. durch Hysterese, auf einen relativ niedrigen Wert begrenzt. Es besteht daher das Bedürfnis, derartige Schrittmotoren auch mit höherer, gleichförmiger Drehzahl über mehrere Schritte hinweg zu betreiben.

Zur Beschleunigung eines kommutatorlosen Gleichstrommotors kann nach der US-PS 30 96 467 durch Verstellen des photoelektrischen Drehstellungsdetektors gegenüber dem Stator die Drehzahl erhöht oder erniedrigt werden.

In der Zeitschrift »Transactions AIEE, Part II, Applications and Industry«, März 1962, S. 1 bis 4, ist eine Schaltung beschrieben, die ein Vorrücken eines Schrittmotors um jeweils zwei Schritte bei nur einem Schaltvorgang ermöglicht. Dieser Motor enthält gemäß Fig. 12 zwei Wicklungen (A,B), deren erste Enden ajt den Mittelpunkt einer Gleichspannungsquelle gelegV sind und deren zweite Enden über einen Kondensator (C) miteinander in Verbindung stehen. Außerdem ist je nach gewünschter Drehrichtung eines der zweiten Wicklungsenden mit einem Umschalter verbunden, dessen Umschaltkontakte die Wicklungsenden abwechselnd an den positiven oder negativen Pol der Gleichspannungsquelle legen. Bei Betätigung des Umschalters erfolgt eine Umladung des Kondensators, was einen Strom durch die nicht mit dem Umschalter unmittelbar verbundene Wicklung zur Folge hat. Dieser Strom erreicht wegen des Kondensators sein Maximum eher als der Strom in der unmittelbar mit dem Schalter verbundenen Wicklung, so daß zwangsläufig zwei Fortschaltimpulse verursacht werden. Da bei dieser Schaltung der Kondensator jedoch ständig mit den Enden der beiden Wicklungen verbunden ist, kann der Motor nur in der einen Betriebsart entsprechend der Erregung der nur möglichen einzigen Wicklungskombination betrieben werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung zur Drehzahlsteuerung eines Schrittmotors der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß in beliebiger Drehrichtung über mehrere Schritte hinweg ein kontinuierlicher Lauf mit erhöhter Drehzahl ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 bzw. im Anspruch 2 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Anordnung ist im Anspruch 3 gekennzeichnet.

Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispiels beschrieben.
Es zeigt
F i g. 1 ein schematisches Blockdiagramm für einen vierphasigen Schrittmotor mit Permanentmagnetrotor und zwei gegensinnigen Wicklungen je Phasenpaar und mit 200 Schritten pro Umdrehung,

F i g. 2 eine Tabelle, in der die relativen Positionen der Motorwelle bei Erregung der entsprechenden Wicklungen-des Motors eingetragen sind,

Fig.3a eine graphische Darstellung, in der die Drehkraft gegen die Drehlage der sich im Uhrzeigersinn drehenden Welle aufgetragen ist, wenn die

Wicklung stationär erregt ist,

Fig.3b eine graphische Darstellung, in der die Drehkraft gegen die Drehlage der sich entgegen dem Uhrzeigersinne drehenden Welle aufgetragen ist, wenn die Wicklung stationär erregt ist,

F i g. 3c eine graphische Darstellung der Drehkraft gegen die Drehlage der Welle, wenn, die erregten Wicklungen mit der augenblicklichen Drehlage übereinstimmen, v~" .

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

F i g. 4 eine schematische Darstellung des Schrittdiskriminators,

F i g. 5 ein Impulsdiagramm mit den vom Schrittdiskriminator erzeugten Impulsen,

F i g. 6 eine Tabelle? die die Motor-Eingangssignale in Abhängigkeit von Signalen des Schrittdiskriminators und der Eingangsbefehle enthält,

F i g. 7 ein schematisches Schaltbild des logischen Umsetzers,

F i g. 8 ein schematisches Schaltbild für die Drehzahlsteuerung und

F i g. 9 ein Diagramm mit der für die Pole des Schrittmotors charakteristischen Hysterese-Kurve.

In F i g. 1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines vierphasigen Schrittmotors mit Permanentmagnetrotor und zwei gegensinnigen Wicklungen je Phasenpaar dargestellt, der mit 200 Schritten eine Umdrehung ausführt. Eine Beschreibung dieses Motortyps und seiner Wirkungsweise ist in der Zeitschrift »Transactions AIEE...« a. a. O. enthalten. Die gegensinnigen Wicklungen des Schrittmotors sind mit Au A₂ bzw. Bi, B₂ bezeichnet. C stellt die gemeinsame Rückleitung dar, die an den negativen Pol der Gleichstromquelle 1 angeschlossen ist. Der positive Pol der Stromquelle ist über die Leitung 2 mit den Emittern 3 bis 6 der Transistorschalter 7 bis 10 verbunden. Die Kollektoren 11 bis 14 der Transistorschalter 7 bis 10 sind an die Eingangsseite der Motorwicklungen B₂, B_u A₂, A\ angeschlossen. Die Basisanschlüsse der Transistorschalter 7 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 dargestellten Motors kann durch selektive Erregung der Wicklungen Au A₂, B_u B₂ 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 360° zu bewirken, müssen somit 50 Gruppen dieser 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. F i g. 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 0°-Lage befindet und die Wicklungen Ai und Bi erregt werden, ist die endgültige Wellenlage 0° + π ■ 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 Au Bi oder der Schrittart Nr. 1 befindet und /7=0 ist.

In ähnlicher Weise werden durch die Eingangssignalkombination der Schrittart Nr. 2 die Wicklungen A\ und Bi erregt, und dies ergibt eine Wellenlage von 1,8° + η ■ 7,2° oder 1,8° von der Ursprungslage entfernt. Insgesamt sind vier Typen von Eingangssignalkombinationen, Nr. 1 bis Nr. 4, vorhanden, so daß sich bei jeder der 50 Grobeinstellungen vier diskrete, feine Schritte ergeben, die um 1,8° voneinander getrennt sind und die durch die Erregung entsprechender Motorwicklungen ausgewählt werden können. Dies ist das übliche Verfahren zur Betätigung des Schrittmotors 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° voneinander entfernt sind. Dabei wird zur Drehung der Welle die Erregung des Motors für einen Schritt bewirkt, der an die augenblickliche Wellenstellung angrenzt. Diese Erregung für direkt aufeinanderfolgende Schritte wird wiederholt, bis die gewünschte Wellenlage erreicht ist.

Von einer bestimmten stationären Wellenlage aus lassen sich nur vier verschiedene Verknüpfungen von Eingangssignalen mit Drehungen der Motorwelle einleiten. 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), »Links« (der Motor wird so erregt, daß er sich entgegengesetzt dem Uhrzeigersinne um

jo 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 eingeschwungenen Zustandes des Eingangssignals hat die auf die als stationär angenommene Welle einwirkende Drehkraft qualitativ die in den F i g. 3a, 3b, 3c und 3d gezeigte Größe. Aus den F i g. 3a bis 3d ist zu entnehmen, daß sowohl eine »Stopp«- als auch eine »Schnellgang«-Eingangs-Signalkombination im Idealfalle die Drehkraft Null bei der Verschiebung Null ergeben. Um eine gewünschte Rotordrehung 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 Rotordrehung. Der Steuerstromkreis hat somit die Aufgabe, einen innerhalb von größeren Abschnitten kontinuierlichen Lauf des Schrittmotors herbeizuführen. Die Anordnung erhält außer dem Schrittmotor einen Schrittdiskriminator und eine logische Schaltung, die imstande ist, Steuerentscheidungen sowohl aufgrund einer binär arbeitenden Rückkopplung als auch des Eingangskommandos zu treffen.

Der Steuerstromkreis kann in verschiedener Weise aufgebaut sein. Eine Anordnung, die sich als sehr leistungsfähig erwiesen hat, ist in Fig.4 dargestellt.

bo Diese Figur zeigt einen Schrittdiskriminator, der die augenblickliche Rotorlage feststellt, ohne Rücksicht darauf, ob der Rotor sich dreht oder stillsteht. Die dünne, undurchsichtige Scheibe 21 ist fest auf der Welle 22 des Rotors 23 angebracht. 50 kleine 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 23,4° voneinander

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 durch eine Eingangssignalkombination vom Typ 1 die optische Achse 36 der Lichtquelle 32 und des Phototransistors 28 durch ein Loch in der Scheibe hindurchgeht, wodurch angezeigt wird, daß sich die Welle 22 injffer Schrittlage 1 befindet. Während dieser Eingangssignalkombination vom Typ 1 (s. 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 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 Lichtquellen-Photozellen-Paare jeweils nur eine einzige Anzeige dafür zur Verfügung, 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 z. B. dazu führen, daß die optische Achse 35 der Lichtquelle 31 und des Phototransistors 27 durch eines der Löcher 24 hindurchgeht. 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 Lichtquelle 32 und des Phototransistors 28 auf einen undurchsichtigen Bereich der Scheibe 21 auftreffen, so daß diese optische Verbindung unterbrochen wäre. Bei einer weiteren Drehung der Scheibe 21 im Uhrzeigersinne um 1,8° würde die optische Achse 34 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 Leitungen 42 bis 45 den Motorwicklungen Ai, A2, Bi, B₂ zugeführt werden. Die Erregung der Leitung 42 und der ihr zugeordneten Wicklung Ai sowie der Leitung 44 und der ihr zugeordneten Wicklung Bi (s. 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 41. Gemäß F i g. 4 bedeuten: Leitung 46 den Eingang für »Stopp«, Leitung 47 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 F i g. 5 veranschaulichen die Ausgangssignale des Schrittdiskriminators. Auch die Summe der vier Signale ist dargestellt.

Im Betrieb wird der Schrittdiskriminator durch den Rotor 23 in eine der vier Schrittlagen gedreht. Es sei angenommen, daß er zunächst die Schrittlage 1 habe. In diesem Fall geht die optische Achse 36 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 41 die Anzeige, daß dies die tatsächliche Lage der Welle 22 des Rotors 23 ist. Der Umsetzer 41, der ab an Hand von F i g. 7 noch im einzelnen beschrieben wird, empfängt diese Anzeige des Schrittdiskriminators, kombiniert sie mit dem jeweiligen Eingangsbefehl und setzt diese beiden Eingangswerte 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 36 der Lichtquelle 32 und des Phototransistors 28 durch ein Loch der Scheibe 21 hindurchgeht und dies anzeigt, daß der Rotor die Schrittlage 1 einnimmt, gibt in diesem Falle der Umsetzer 41 ein Signal zu den Wicklungen Ai und Bi, so daß sich der Rotor nicht weiterdreht und magnetisch festgehalten wird. Ebenso erregt der Umsetzer 41 bei Empfang eines »Rechts«-Eingangsbefehls durch ein Signal die Wicklungen Ai und B₂, wodurch der Rotor um einen Schritt im Uhrzeigersinn weitergedreht wird. Wenn der Umsetzer 41 das »Links«-Eingangssignal empfängt, erregt er die Wicklungen A₂ und B\. Dadurch wird der Rotor zu einer Drehung um einen Schritt entgegen dem Uhrzeigersinne veranlaßt. Die Arbeitsweise des Umsetzers wird im einzelnen noch erläutert werden.

Die Tabelle in F i g. 6 zeigt die durch den Umsetzer erzeugten Motor-Eingangssignale, die durch die verschiedenen Eingangsbefehle ausgelöst werden. Wenn z. B. der Schrittdiskriminator anzeigt daß der Rotor sich in Schrittlage 1 befindet, erzeugt ein »Stopp«-Eingangsbefehl eine Motoreingangssignalkombination vom Typ 1. Wenn der Schrittdiskriminator anzeigt, daß der Rotor sich in Schrittlage 1 befindet, ist das Ergebnis eines »Schnellgang«-Eingangsbefehles die Motoreingangssignalkombination vom Typ 3. Der Grund für diesen Zwei-Schritte-Sprung im »Schnellgang«-Betrieb wird noch näher erläutert werden. Weiterhin kann der Tabelle in F i g. 6 entnommen werden, daß, wenn z. B.

der Schrittdiskriminator anzeigt, daß sich der Rotor in Schrittlage 3 befindet, der Eingangsbefehl »Rechts« die Motorsignalkombination vom Typ 4 zum Ergebnis hat

Die Tabelle in F i g. 2 zeigt, daß die Motoreingangs-Signalkombination 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 F i g. 7 dargestellten 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 vier Flipflops FFl, FF2, FF3 und FF4 verwendet, welche Eingangs- bzw. Ausgangsleitungen 74 bis 81 aufweisen. Die Flipflops sind in F i g. 7 zur Vereinfachung der Zeichnung so dargestellt, daß der Eingang des Flipflops auch dessen Ausgang bildet. FFl bis FF4 sind

bo herkömmliche Flipflops, bei denen, wenn als logische Spannungspegel das Nullpotential und eine negative Spannung verwendet werden, ein dem Flipflop zugeführtes Null-Eingangssignal zur Folge hat, daß "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 Ausgangslei-

tungen 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 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 Leitungert^i2-2 bis 125 mit vier Leistungstreibern 126 bis 129 verbunden, die an die Motorwicklungen A\, Ai, B\ und Bi angeschlossen sind. Die Torschaltung 102 wird durch ein Eingangssignal im Fall 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 Torschaltung 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 Ausgangsleitungen 55,56 und 57 der Photozellenverstärker 51,52, 53 eine negative 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 Ausgangsleitungen die in F i g. 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 die Leitung 78 und bewirkt, daß FF3 eingestellt wird. Schließlich wird das Null-Potential über eine Trenndiode über die Leitung 67 auf die Leitung 81 gebracht und bewirkt, daß FF4 eingestellt wird. FFl bis FF4 bleiben in dem Zustand, auf den sie eingestellt worden sind, bis sie durch ein anderes Eingangssignal aus den Photozellenverstärkern erregt werden. Die Leitung 74 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 87 und 88 für die Torschaltung 103 gelegt. Ebenso wird den Eingangsleitungen 90 und 92 der Torschaltung 104 und den Eingangsleitungen 94 und 97 der Torschaltung 105 das Null-Potential zugeführt. Die erwähnte Betätigung der Photozelle 28 zeigt an, daß der Rotor des Schrittmotors 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 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 des Leistungstreibers 126 gelegt, der die Wicklung Ai erregt, als auch an die Leitung 116 und über die Leitung 124 an den Leistungstreiber 128, der die Wicklung B\ erregt. Falls also das Eingangssignal »Stopp« dem Umsetzer zugeleitet wird, während die Photozelle 28 erregt 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 Fig.2 die Eingangssignalkombination vom Typ 1. Der Rotor bewegt sich also nicht und wird magnetisch festgehalten. Wenn nun der Rotor nicht in der Schrittlage 1 ist und das Eingangssignal »Rechts« über die Leitung 101 übertragen wird, wird über die Leitungen 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 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 »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.

Bei der im normalen Betrieb 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, indem gemäß der Tabelle in Fig.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 der magnetischen Feldstärke auf -AH erforderlich, um die Magnetisierung von + B₅ auf — B_s umzukehren, und die Änderung auf +AH, um von —B_s auf + Bs umzumagnetisieren. Die magnetische Feldstärke ist jedoch eine Funktion des Stromes in den jeweiligen Wicklungen, der seinerseits infolge der Induktivität zeitabhängig ist.

Es wird daher die Zeit A t gebraucht, um die Änderung auf AH (oder -AH) zu erreichen. Während dieser Zeit-Verzögerung A t 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 umgekehrten 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

809 648/9

bezüglich der Wicklungserregung genügend groß ist, so daß

ist, wobei VK₅₁ die konstante Geschwindigkeit ist, die sich infolge der Gegen-EMK, der Induktivität und der Reibungskräfte einstellt. '£■-■ '

Zweitens gibt es einen Voreilun'gsbereich zwischen 1,25 und 1,75 Schritten, in dem ι ο

W₁₁-At

2,25 · 2 .τ
2ÖÖ

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

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 Geschwindigkeit erreicht ist und behält diese bei.

Wenn sich der Rotor im Stillstand befindet und eine um zwei Positionen von der gegenwärtigen Rotorlage entfernte Wicklung erregt wird, ist die Bewegungsrichtung des Rotors unvorhersagbar. Daher muß der Rotor zuerst in die gewünschte Drehrichtung gebracht werden, bevor die Umschaltung in den »Schnellgang« erfolgt.

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 »Schnellgang«-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 »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 γ, 155 angeschlossen, die einen Eingang der invertierenden UND-Schaltung 156 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 159 über die Leitung 160 zum Umsetzer 139 übertragen. Das »Stopp«-Eingangssignal wird dem Umsetzer über die Leitung 161 zugeführt.

Im Betriebszustand hat, wenn der Schrittmotor im Stillstand ist, das über die Leitung 141 übertragene Ausgangssignal der UND-Schaltung 140 ein negatives Potential, da nicht alle über die Leitungen 131 bis 134 zugeführten Eingangssignale gleich sind. Dies beruht darauf, daß eine der Photozellen Licht abfühlt und daher eine der Leitungen 131 bis 134 am Null-Potential liegt, während die anderen drei Leitungen eine negative Spannung aufweisen. In diesem Fall erscheint das durch den Inverter 142 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 151 ein negatives Ausgangssignal zur Leitung 152, 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 Spannung, da das Null-Potential auf Leitung 146 im Inverter 147 umgekehrt wird. Ebenso gelangt auf die Leitung 160 eine negative Spannung, da infolge der über die Leitung 155 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 dev Schrittdiskriminator auf einen »Dunkelraum«, so daß die der UND-Schaltung 140 über die Leitungen 131 bis 134 zugeführten Eingangssignale sämtlich negativ sind. Das Ausgangssignal der UND-Schaltung 140 wird daher gleich Null und erscheint in seiner Umkehrung im Inverter 142 als negative Spannung auf den Leitungen 143, 145, 146, 149 und 155. Beim Vorliegen dieser negativen Spannung auf Leitung 149 wird das Ausgangssignal der UND-Schaltung 151 auf Leitung 152 gleich Null, und das »Rechts«-Eingangssignal, 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 »Schnellgang«-Betrieb umgeschaltet wird.

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 2¹At Schritte, aber größer als 1 Schritt ist, oder daß in dem hier gezeigten Falle eines '/2 Schritt langen »Dunkelraums« der Vorsprung kleiner als I³A, aber größer als I¹At Schritte ist. Wird das Anlegen der negativen Spannung an die Leitung 146 vergrößert, 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 Umlaufgeschwindigkeit 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 z. B. erreicht werden, daß der »Dunkelraum« erscheint, nachdem sich der Rotor um ¹At Schritt in der befohlenen Richtung gedreht hat.

Der Eintritt in den »Schnellgang«-Betrieb, beeinflußt durch die veränderliche Verzögerungsvorrichtung, erfolgt somit automatisch. Das »Stopp«-Eingangssignal wird zum Abbremsen und zum magnetischen Anhalten verwendet.

Die variierbare Verzögerungseinrichtung ist nicht im einzelnen beschrieben, da verschieden^ Arten von Einrichtungen verwendet werden kernen, z. B. ein monostabiler Multivibrator. Ebenso befaßt sich die Beschreibung nicht mit der externen Servosteuerung,

die das Anlegen von Spannungen an die Eingangsleitungen steuert, durch welche der »Rechts«-, der »Links«-, der »Stopp«- und der »Schnellgang«-Betrieb bewirkt werden. Das Treffen von Entscheidungen dieser Art mittels Geschwindigkeits-, Fehler- und anderen Eingangs- und Rückkopplungsinformation zur Ausnutzung des vorliegenden Systems gehört nicht zur Erfindung.

Die Erfindung wird nur in der Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gesehen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Drehzahlsteuerung eines vierphasigen Schrittmotors mit Permanentmagnetrotor und zwei gegensinnigen Wicklungen je Phasenpaar sowie mit einem Steuerkreis, bestehend aus einem Schrittdiskriminator, der die jeweilige Stellung des Rotors feststellt, und einem logischen Umsetzer, der aufgrund des jeweils vom Schrittdiskriminator abgegebenen Signals und des jeweils eingegebenen Eingangsbefehls die zur Ausführung des nächsten Schrittes zu erregenden Wicklungen des Schrittmotors ansteuert, wobei die Betriebsarten Rechtslauf, Linkslauf und Stopp wählbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Betriebsart Schnellgang vorgesehen ist, bei der, gesteuert durch Signale des Schrittdiskriminators, die eine Information darüber enthalten, ob sich der Rotor in einer einer Wicklungskombination entsprechenden Schrittstellung oder zwischen zwei Schrittstellungen befindet, zunächst jeweils die zur Ausführung des nächsten Schrittes zu erregenden Wicklungen angesteuert werden und, wenn sich der Rotor aus der letzten Schrittstellung herausbewegt und bevor er sich in die nächste Schrittstellung hinbewegt hat, wieder abgeschaltet werden und gleichzeitig die zur Ausführung des übernächsten Schrittes zu erregenden Wicklungen angesteuert werden.

2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der von den Ausgangssignalen des Schrittdiskriminators gesteuerten Schalteinrichtung eine Verzögerungsschaltung (144) mit einstellbarer Verzögerungszeit, die eine Einstellung des Zeitpunktes des Einsetzens der Betriebsart »Schnellgang« ermöglicht, nachgeschaltet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schrittdiskriminator gebildet wird durch lichtempfindliche Elemente (25 bis 28), deren Anzahl den durch die verschiedenen Wicklungskombinationen gebildeten Schrittstellungen entspricht, und durch eine mit den lichtempfindlichen Elementen (25 bis 28) zusammenwirkende, mit der Welle des Schrittmotors verbundene Lochscheibe (21), deren Löcher (24) derart angeordnet sind, daß nur das der jeweiligen Schrittstellung entsprechende lichtempfindliche Element von einer mit diesem zusammenwirkenden Lichtquelle beleuchtet wird.