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Verfahren und Anordnung zum Betreiben eines Schrittmotors. Die Erfindung
bezieht sich auf Vorrichtungen und Verfahren zur visuellen Anzeige digitaler Baten
und betrifft insbesondere Vorrichtungen und Verfahren zum Betreiben eines Schrittmotors,
der sich besonders vorteilhaft in Systemen zur Aufzeichnung digitaler Daten in graphischer
Form verwenden läßt.
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Schrittweise arbeitende digitale Schreiber zeichnen Daten in graphischer
Form auf, indem sie die Bewegung eines Schreibstiftes relativ -zu einem Papierblatt
oder -streifen steuern. Die von dem Stift niedergeschriebene Kurve oder andersartige
Aufzeichnung besteht aus mehreren winzigen Linienstückchen, von denen jedes die
.desultierende von zueinander rechtwinkeligen Vorwärtsbewegungen des äch.veibmechanismus
ist.
Biese orthogonalen Fortbewegungen sind wiederum das brgebnis
von schrittweisen Bewegungen der zujehörigen äciirittmotoren, welche von aus einem
Computer entnommenen ateuerimpulsen gesteuert werden. So führt beispielweise ein
bestimmter digitaler schrittweise arbeitender Schreiber im iZormalbetrieb Schritte
von o,o1 inch (o,25 mm) aus; jeder Schritt ist also in der Zage, ein Linienstückchen
von o,o1 Inch Länge entweder längs der X-Achse oder längs der Y-Achse niederzuschreiben.
bin typischer Schreiber hat zwei Schrittmotoren, den einen für die schrittweise
Bewegung längs der Y-Achse und den anderen für die schrittweise Bewegung längs der
Y-nchse.
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Die fundamentalen Schreibbewegungen längs jeder xchse köiuien in +
oder - Richtung erfolgen. Die gleichzeitige Betätigung beider Schrittmotoren erzeugt
demnach eine gleichzeitige Bewegung längs der X-Achse und der Y-Achse und dies ergibt
ein Linienstück unter 450. Bei einer derartigen .anordnung haben die aufgezeichneten
Linien eine Winkellage, die ein Vielfaches von 450 ist (d.i. 450, 900, 135° usw.).
.Linien, die andere Richtungen haben, werden durch Annäherung erzeugt, indem verschiedene
Linienstücke mit 45 0-Vielfachen zusammengesetzt werden. Bei- einem digitalen, schrittweise
arbeitenden Schreiber der beschriebenen Art, bei dem die äcnrittlänge o,o1 Inch
beträgt, müssen die Schrittmotoren mit einer relativ hohen Impulsfolgefrequenz betrieben
werden, wenn eine Niederschrift von merklicher Ausdehnung ohne unzulässige Verzögerung
reproduziert werden soll. Hohe Impulsfolgefrequenzen kann die Steuerschaltung ohne
Schwierigkeit liefern; bisher
war es jedoch erforderlich, die Tastfrequenzenauf
eine Höhe zu begrenzen, bei der die Schrittmotoren noch genau und präzis ansprechen.
Bei jeder schrittweisen Weiterschaltung beschleunigt der Schrittmotor, verzögert
und kommt in einer bestimiriten 5 ellu_ig zur Ruhe, die von den vorher angelegten
Steuerimpulsen diktiert wird. Ein we sentlicher Vorzug eines schrittweise arbeitenden
digitalen Schreibers rührt von dem 1-91-Verhältnis zwischen der Änzahl der angelegten
Steuerimpulse und der Än-1a.tll der in Beantwortung der Impulse von dem Schrittmotor
ausgeführten Schritte her, so daß der Schreibstif tmechanismus immer die richtige
Stellung einnimmt. Trotz dieses Vorzugs der genauen Stellung tritt ein besondeim
F noblem bei der Verviendung von Schrittmotoren in einem digitalen schrittwezsb
arbeitenden Schreibei auf, das der Versuch auslöst, die» #Schittmotoren mit
gesteigerter Geschwindigkeit zu betreiben-, -ohne.-- Sie erwähnte Genauigkeit der
Schreibstiftstellung zu opfern-. Diese genaue Äusrictitung des mit den Schrittmotoren
gekoppelten- Schreibstiftmechanismus ergibt sich in erster Linie- aufgrund einer
Arretierungswirkung, die eintritt, wenn der Rotor des Schrittmotors zwangsläufig
mit einem bestimmten Pol des Stators des Schrittmotors ausgerichtet Wird aufgrund
des in dei:= Motor errichteten Magnetfeldes. Es hat sich jedodh herausgestellt,
daß diese Schrittmotoren dazu neigen, elektromechanische Resonanzen zu entwickeln,
die die beabsichtigte Funktion stören, wenn, man versucht, die Schrittrotoren mit
erhQhten Schri tt a-eschwindigkeiten zu betreiben: Zudem liefert das üd-l icue Verfahren
zum irregen eines Schrittmotors, das darin besteht, irgendeinen der ötatorpole einzeln
zu erregen, eine
räuii.l.i che husrichtung zwischen notor und ötator,
welche eine unerwünscht hohe Induktanz genau zu dem Zeitpunkt hervorruft, wo das
arretierende l,a"netfeld zusaalinenfallen soll, damit das nächste IYaLiietfeld für
die nächste Schrittschaltung aufgeb,iut werden kann. Als @'clge der dadurch vorhandenen
Grenzen sind die üblichen Schrittmotoren und ihre zu,_,ehörien Steuerscllaltu_;gen
auf eine Betriebsgeschwindigkeit beschränkt, die wesentlich niedriger ist als angestrebt
wird. .Der brfindang liegt daher die iiuf-;abe zugrunde, eine verbesserte knordnung
und verbesserte 'Verfahren für den Betrieb eines Steuersystems für einen ochrittmotor
zu schaffen.
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Yiciter will die Lrfinduiig ein Steuersystem für einen Schrittmotor
schaffen, das zu höheren Schrittgeschwindigkeiten befc:lligt ist als die bisher
behaiinten 'Vorrichtungen.
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Aur erdei@_ soll in dein erfindungsgemäßen 2teuersystein für den Schrittmotor
der Rotor des ächrittu-otors von den zut-;ehörij_en Statorfeldern besser arretiert
werden.
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Eine weitere Aul'Üaoe der Erfinden gliegt ili der Schaffung eines
Steu(:rsystems für eine,1 ichrittmotor, das gegenüber entsprechenden bisher .bekannten
jystemen ein verbessertes t-bergangsverhalten hat.
| hure zusa::.. r-.n#,e.£aßt betrifft czi e vorliegenue zri iii- |
| Jung die Verwenu-,?@, e@ @@cs Schrittmotors mit einem @iieürel'E:
1-101- |
| paare nufweisenaei: at#Aor und einem tt@@1,e:.r iii einer jilisbi.lauilg, |
| bei der die Aiizali1 der Rotor-Polpaare ion de-[. Xiizalj1.
der äta- |
| tor-Polpaahe veh-eiA .den ist. lii einem beaciidereii |
| j'o-"ri der wird eiii Schrittmotor mit sec@iis Jt.atol't)c- |
len vorgesehen, die je eine eigene Wicklung oder Spule tragen,
und mit einem Rotor, dessen vier Pole in gleichen Abstänaen an seinem Umfang angeordnet
sind. .ule jeweils gegenüberlLegenden Statorspulen sind in Reihe geschaltet, so
daß drei gesonderte Erregerkreise des Stators vorgesehen sind.
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13ei bisher bekannten Anordnungen war es üblich derartige Statorpole
einpaarweise nacheinander zu erregen, uni die gewünschte schrittweise Fortschaltung
des zugehörigen Rotors zu bewirken. Eine solche Betriebsvreise liefen t eine Li'olZe
von Drehbewegungen des iio-tors urn 3o0 nach einer Richtung unter - der @Yi.r1LLU@.g
einer L'olge von Bewetiungen des Vektors der von den entsprechenden in ent.-egengesetzter
Richtung erregten Stator-Polpaaren einzein erzeugten kai#netfeldern. .Jle Arretierungswi.rki-uig
tritt ein, wenn ein Eo-tor-P(}Lpaar mit einem ausgefluchtet ist;. Ls liegt jedoch
auf erregten 5'tator-Pol der Hand, daß bei einer derartigen kusfluchtung ein Minimum
an tjeluktanz für den 1«agrietfluß und dementsprechend ein Maxi-mum an Induktanz
für die erregten Statorspulen auftritt.
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Eirie Überführung des Rotors aus der ausgefluchteten zitellu-rig an
eii,ern Statorpol zu der näcr,.sten aLisl#;efluchtel,er_ S',eLlung an einei:r anderen
2tatorpol liefert eine Drehurig um 1/12 einer vollen ULiai ehurig, d . i . cui,
jo° . be i uen. erfirii.1urigsgeniä.ßE.:n schrittweise anbei Lenden digi ta.len
bohl e L ber ist Iwiscrrerz cleir. Rotor des :ichr Lttmotors und dem An Lriebsineehanisr:ii,Lii
des S@;hreib;@tiftes eire passendes Getriebe eingefügt, so daL, e ürP, t@rc:r:i@r:t;
UM JUC) eine for tbewer;ung ue;7 @@c;üreib:@ tif t-@r:echa.n.isrriL@ Lun o.01 _
irroh ergibt.
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vi.e Erl'irdLing sieht ehre iJLE;IWr : t; für einen
dci
r'it tinotor r -ach tirt des beschriebenen vor, bei der statt einem einzigen z;tator-Polpaar
zwei tator-P@@l zeitig erregtwerden, uiii eine bestimmte Rotors tullung festzulegen.
entsprechend wird, we::n der tto tor zu :einer näci.s ten äteLliuig @,ieitergesclial-tet
werden soll, eines der erregten S tator-Spulei1gare außer S troni gesetzt und das
vorher stroin-Lo,se 2ta.tor-SpLileripaar wird erregt, Bei a_Leser besonderen Anordnung
gemäß der Erfindung ist in tatfies tel L.c_ng rii_e:@al@s ein Ho tor-Polpaar vo
L_Ls t.*tndig mit irgendeinem gef Luclite L . Tielrc_eizr werden beide lio tor-.E
olL.aare vors entsprechenden Paaren der erregten itatorole aiigezoüen; Gifgi'LLiicx
der zahLeiim-ißigeri Ungleichheit der do tor- und :; tiltorpole gehen die Anz Lehurigakräf
te an den beiden fio tor-F oll@aareri in eritbegengesetzte RLchtung, so dat; in
iiuheste.Llurig eile verbesserte Arretierungswirkung erzielt wird. liudeiii greift
an uen liotorpolen s-t:lridig eine Rwchtkraft von i@_@.i@desceiis eineue erreG-c
. ten Stator-Polpaar an, so daß der bisher auftretei,de uuitrwUrischte .Resonanzeffekt
wirksam beseitigt .ist. Ja jedes ttotor-Polpaar gegenüber jeden: erregten ätator-Polpaar
leicht versetzt ist, ergibt sich eine verminderte Inauktanz der Schaltung und dies
bietet den Vorteil, aen Schrittmotor mit höheren IsripLilsfolgefrecluenzen steuern
zu können. Zudem ergibt sich eine größere Schrit t,eschwindigkeit, well a-f den
do tor bereits eine Kraft einwirkt, sobald ein S tator-Opu Leripaar außer Utroin
gesetzt is t, und nicht abgewarta t wurden muß, b L,s der dtrom in dem n@@c«a ti'o
Lenden Spulenpaar zum Landekommt, LE@nient:sprec;hi:nil wird eire verbeaoer LE:
iOtin:: Gien be Liii
| ,schlitt@@.eiseiiwc::i_i,c@rselialten des öctizittmotors dadurch
er- |
| zielt, daß jede Schrittstellung durch die :rregung einer |
| Gruppe von btator-Spul.enliaaren bestimmt wird. |
| Zu der berbesserten iirretierungswirkung und ari- |
| dereil Vorzügen, ui.e von der hrx:eitsr:ei.se eines derarti#en
(21r- |
| für einen bchrittmotor stainicien, |
| tretcri x;ocl-i weiter(. Vorteile, insbesondere eine größere
Ge- |
| schwiridigkcit, die sich von der fasturig des -3t(,u(rsystenls
füll |
| den ;Schrittmotor ireiner besonderen Erregungsfelge nach l,ial@- |
| gabe einer Wei tcrbildung der Erfinduilg ableiten. In einem |
| speziellen ILusfiüirun#-sbeislaiel der Erfindung isz eine bclial- |
| tune vorgesehen, die für jeden angelegten Ganzsciliitt-Impuls |
| zwei Halbsciisitt-Steuerirpulse erzeugt. In diesen, Ausführungs- |
| beispiel ist oe:nacti die laberregung eines vorher erregten |
| SJ=.ulciipaares eiiiei Gruppe gewänrieistet, bevor noch die
:ü2,re- |
| guhg- des xiäclisteii Spulenpaares eingeleitet wird. -uies
ist be- |
| sonders dann von Vorteil, wenn die linzahl der @tator-Si:u@en- |
| päaTe drei brtr<gt; wie bei der beschrie-beneii i@xlo7diiuil,@_
in |
| diese::- Fall v@i rd nUn.lich vier Zustand verLiieden, der
soii st in |
| de.. au#7enblicai eintritt, wo eine schrittweise Weiterscfialtuhg |
| ei iiGeleite u- mrd, lind bei dein in allen drei ;Stator-Spulenpaaren |
| ti'elder existieren aufg2@iüid uei- Tatsache, d,-:,ß |
| das ::@xgnei@i'c@l.d iii der eben außer Strom gesetzten äpule
gerade |
| zusexi.i!ienbricsht, v,ährend sich aas Uaerietfeld in der eben
-err°-gT |
| teil |
| l@i c> e @crli.i;e werden sis deii erj'iiidun f.sgeniö,Bexl |
| die: @;izdc=;. 1_c@_ine beschränkun,#,eii für |
| die: ;l@:c@lzenz @i!@l- r.@<@. :icati;3r!ien I=olariitil,
der ätator- oder. lJotOi°- |
Pole aufstellen und sich auch nicht notwendigerweise auf die. Verwendung
von permanenten Lagneten beschränken, wie dies häufig in ähnlichen bisher entwickelten
Anordn.un";en der Fall war.
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Einem besseren Verständnis der Erfindung dient die nachfolgende eingehende
Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen.
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Es zeigen: Fig.1 eine schematische Skizze eines Schrittmotors zur
Verwendung in einem digitalen, schrittweise arbeitenden Schreiber, in der eine in
bisher bekannten Linrichtungen dieser Art gewöhnlich verwendete Arbeitsweise gezeigt
ist; Fig.2 eine schematische Skizze der Anordnung von Fig.1 in einer Stellung, die
bei der bisherigen Arbeitsweise auf die Stellung der Fig.1 folgt; Fig:3 eine schematische
Skizze eines Schrittmotors der beschriebenen Art, der in einer besonderen erfindungs,#emäßen
Betriebsweise angetrieben wird; Fig.4 eine schematische Skizze der in r'ig.3 dargestellten
Anordnung in einer auf die Stellung der Fig.3 folgenden Stellung bei der erfindungsgemäßen
Betriebsweise; Fig.5 eine bildmäßige Darstellung einer speziellen Konstruktion,
die als Schrittmotor gemäß aer Erfindung betrieben werden kann; Fig.6 eine Ansicht
des Rotors des in Fig.5 dargestellten Schrittmotors;
Fig.7 ein
Diagramm, das den Operationsmodus des Motors der Fig.5 gemäß der .Erfindung verdeutlicht;
Fig.8 ein Schaltschema einer besonderen Anordnung der Steuerschaltung, die in einem
erfindungsgemäßen Steuersystem eines Schrittmotors verwendet ist; Fig:9 ein Diagramm,
das einen anderen Operationsmodus des Motors der fig.5 versinnbildlicht; Fig.1o
ein Blockschema einer zweiten Ausführungsform der Steuerschaltung für ein erfindungsgemäßes
Steuersystem eines Schrittmotors.
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Die schematische Skizze der Fig.1 stellt einen Schrittmotor dar, wie
er bisher zur Betätigung eines digitalen, schrittweise arbeitenden Schreibers gebräuchlich
war. Wie ersichtlich, weist der Neotor der Fig.1 einen mit vier Polen versehenen
Weicheisen-Rotor 2o auf, der von einem Stator mit sechs Spulen (1 s-6s) umgeben
ist. Die Spulen sind symmeteisch rund urr, den Rotor 2o angeordnet. Die Spulen 1s-6s
werden von je einer Drahtwicklung gebildet, die um einen. lamellierten Weicheisenkern
gewickelt ist. Die Spulen können, wie in Fig.2 gezeigt, elektrisch verbunden sein,
d.h. gegenüberliegende Spulen liegen paarweise in Reihe in einem Stromkreis, der
außerdem einen Schalter und eine Stromquelle aufweist. So ist beispielsweise das
Spulenpaar ls-4s über einen Schalter 24 an eine Stromquelle 22 angeschlossen. 'Weitere
Schalter 32 und 34 legen die restlichen Spulenpaar e an die zugehörigen Stromquellen.
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Bei den bisher bekannten Anordnungen, die die Schaltung
der
Fig.1 und 2 verwenden, wird der Rotor 2o um vorgegebene Beträge (in diesem Fall
um 1%12 Umdrehung oder 300) dadurch schrittweise,weitergeschaltet, daß nacheinander
einzelne Spulenpaare 3s-68 oder 28-5s erregt werden. Wenn oeispielsweise durch Schließen
des Schalters 24 das Paar 18-4s erregt ist, wird der Rotor 2o die geflxhtete Stellung
der Fig.1 annehmen, in der die zwei gegenüberliegenden Pole 1 und 3 mit dem erregten
Stator-Spulenpaar ausgerichtet sind. Wird nun der Schalter 24 geöffnet und der Schalter
32 geschlossen, um statt des Spulenpaares 1.-4s das Spulenpaar 3.-6s unter Strom
zu setzen (was eine Verdrehung des Magnetfeldvektors entgegen dem Uhrzeigersinn
bedeutet), so erfolgt eine schrittweise Weiterschaltung des Rotors 2o im Uhrzeigersinn
zu der in l'ig. 2 dargestellten Zage, in der das andere Rotor-Polpaax 2 und 4 mit
dem erregten Spulenpaar 3.-6. gefluchtet ist. .Dieser Rotationsschritt entspricht
einem Drehwinkel von 300. Wenn s-taü-t der Spulen 3S-6. das verbleibende
ßtator-Spulenpaax 28-5s erregt wird, dreht sich der Rotor um weitere 300
im Uhrzeigersinn und so fort. In ähnlicher Weise wird eine schrittweise Rotation
des Rotors 2o entgegen dem Uhrzeigersinn durch ßrregung der Stator-3pulenpaare in
uer Weise erzeugt, daß der Magnetfeldvektor sich im Uhrzeigersinn dreht.
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Einem derartigen System haftet der Mangel an, daß die kinetische Energie
des Systems zu dem Zeitpunkt ein Maximum hat, wo der Rotor momentan zum Halten gebracht
werden soll. Wenn beispielsweise der Rotor 2o von der Stellung der Fig.1 in die
Stellung der Fig.2 schrittweise weitergeschaltet wird, erreicht der Rotor 2o seine
maximale Geschwindigkeit
und das System seine maximale kinetische
]:nergie gerade dann., wenn `die Rotorpole 2 - 4 mit den Statorpolen 3,-6s zur Bekkung
kommen. Dies ist aber der Zeitpunkt und die genaue Stellung, an der der Rotor augenblicklich
gestoppt werden muß.
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Um mit einer solchen Anordnung hohe Schrittgeschwindigkeiten erzielen
zu können, mur-= die gesamte Trägheit des Systems so niedrig als möglich gehalten
werden und dies bedeutet eine unerwünschte Beschränkung für den Aufbau solcher Vorrichtungen.
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Ein weiterer 3langel eines derartigen Systems liegt in der Wirkung
der Induktanz des Systems auf das Ansprechvermögen des Schrittmotors auf die steilen
Vorderflanken und Rückflanken der gewöhnlich angelegten Steuerimpulse. Immer wenn
ein Stator-Spulenpaar aberregt oder erregt werden soll, hat die Induktanz ein Maxiiium,
da ein Rotor-Polpaar direkt mit dem entsprechenden Stator-Polpaar gefluchtet ist.
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-.Die krretierungswirku@1g, die mit dieser bisherigen Betriebsleise
der Fig.'t und 2 erzielt wird, ist zwar erstrebenswert, sie läßt sich aber auch
gemäß der Erfindung mit einer anderen Betriebsveise eines Schrittmotors erreichen
ohne den oben geschilderten unerwünschten Effekt bezüglich der kinetischen Lnergie
und der Induktanz des Systems. Bie Pig.3 und 4 veranscYazlichen besondere husführu-rgsformen
der Erfindung zum Betrieb eines Schrittmotors. Es ist zu beachten, daß in beiden
1'ii;izren für jede entsprechende Schrittstellung des Rotcrs 2o rj:i cfht nur ein
einziges Stator-5pulenpaar, wie irr 1'a11 der Fig.1 und 2, sondern jeweils z;@ei
Stator-Spulenpaare unter dtrom gesetzt sind. lri Fig.3 sind die Spulenpaare 2s-58
und 3 ,-6s durch die geschlossenen ächalter 32 und 3q.
erregt,
während der Schalter 24 geöffnet ist. ber Rotor wird. dadurch in der in 2i9.3 gezeigten
Zage festgehalten, in der jeder seine Pole von dem I4iagnetpol der ihm benachbarten
erregten Statorspule angezogen wird, wobei aber die Kräfte an den Rotorpolen in
entgegengesetzter Richtung angreifen und ausbalanziert sind, so daß die besondere
dargestellte Lage des Rotors 2o zustandekomnt. Diese Stellung entspricht einer Verdrehung
des Rotors 2o um 150 aus einer direkt mit einer, Statorpol gefluchteten Zage. Eine
schrittweise Weiterschaltung des Rotors 2o um 30o wird dadurch erzielt, daß die
Stellung der Schalter in die in Fig.4 gezeigte umgeändert wird. Das bedeutet, daß
der Schalter 32 geöffnet und der Schalter Z4 geschlossen wird. Dies bewirkt eine
Rotation des zusaümengesetzten Magnetfeldvektors um eine Polste-.lung entgeLen dem
Uhrzeigersinn und bewirkt eine Drehung des .Rotors 2o um 3o0 im Uhrzeigersinn. Diese
erfindungsgemäße Betriebsweise des Schrittmotors bietet den Vorteil eines rascheren
Zusammenbruchs des Magnetfeldes des gerade aaLer Strom gesetzten Spulenpaares und
eines rascheren Aufbaus des 1,_a@netfeldes, da-; za aeili neu erregten Spulenpaar
gehört. Auf diese Weise dient dasjenige Rotorpolpaar, das zu dem durchgellend erregten
Sl.;ulenpaar "ehört (in deu gezeigten Beispiel die hotorl:ole 1-3) dazu, den :Rotor
2o auf maximale Geschwindigkeit zu beschleunigen, wenn das Polpaar das erregte Spulenpaar
passiert. bas koinbi-ierte.,,.,agnetfeld der zwei erregten Spulenpaare verzögert
den Ho-@or 2o wirksam, während dieser sich der Arretierungsstellung nähert. Folglich
kann der Rotor in relativ kurzer @Jc:it aii der ricritigen Stelle zum Stillstand
gebracht werden, ohne daß er über
diese Stelle hinausschießt und
ohne daß zusätzliche Hilfsarretierungen erforderlich sind. Außerdem. bietet diese
besondere Anordnung längere Wege des Kraftflusses in der Arretierungsstel.lung,
so daß die Induktanz der erregten Spulenpaare herabgesetzt wird mit dem Resultat,
daß höhere Steuerimpulsfrequenzen angewandt werden können. Eine weitere Verbesserung
bezüglich der Geschwindigkeit und Steuerung des Antriebssystems eines Schrittmotors
bietet gemäß einer besonderen Ausbildung der Erfindung eine Anordnung, die in gleicher
Weise wib die eben beschriebene xnordnung durch gruppenweise Erregung der Stator-Spulenpaare
für eine schrittweise Weiterschaltung des Motors sorgt, bei der aber ein Übergang
von einer Spulenpaargruppe zu einer anderen Spulenpaargruppe vorgesehen ist über
einen Zwischenschritt, bei dem für eine begrenzte Zeitspanne nur das beiden Gruppen
gemeinsame Spulenpaar erregt ist. Bei einer solchen Anordnung, wie sie im Zusammenhang
mit dem Schaltungsbeispiel der 2i9.4 und 5 erklärt werden kanng wird der Rotor 2o
von der Stellung der Fig.3 zur Stellung der r'ig.4 weitergeschaltet, indem zuerst
der Schalter 32 geöffnet wird, wodurch das Spulenpaar 3s-6s außer Strom gesetzt
wirdy und dieser Schaltzustand eine bestimmte Zeitspanne lang aufrechterhalten wird;
in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt diese Zeitspanne eine halbe Periode
der Pulssignalfrequenz. Während dieser Zeitspanne läuft der Rotor 2o zu einer Mittelstellung
zwischen den in Fig.3 und ¢ gezeigten Stellungen. Nach dieser vorgegebenen Zeitspanne
und in einem Augenblick, wo der Rotor 2o annähernd seine maximale Rotationsgeschwindigkeit
hat,
wird der Schalter 24 eingelegt, sc daß der Stromkreis für
die Erregung des nächsten Spulenpaares 1s-4s geschlossen wird und dadurch der Schaltungszustand
und die Rotorstellung, die in Fig.4 gezeigt sind, zustandekomnen. In den Fig.5 und
6 ist eine spezielle konstruktive Anordnung eines Schrittmotors gezeigt, der gemäß
der -wr-Findung betrieben werden kann.. Fig.5 ist eine Vordew ansicht eines ächrittmotors
40 mit weggelassenem Gehäuse. Der Schrittmotor 40 enthält eine Mehrzahl von Spulen
1s bis 6s; jede Spule ist um einen eigenen Statorpol, etwa 42, gewickelt,
der von einem ringförmigen Rahmen 44 nach innen ragt. Ein Rotor 2o ist zentral in
dem Schrittmotor 4o angeordnet. In Fig.6 ist der Motor Zo genauer dargestellt, und
zwar in einer perspektivischen Ansicht von der der Fig.5 entgegengesetzten Seite
aus. Der Rotor 2o hat, wie ersichtlich, vier Pole 1 bis 4, eine axiale Öffnung 5
zur Befestigung auf einer YYelle und ein zugehöriges Antriebszahnrad 6. Die in den
Fig.5 und 6 dargestellte Konstruktion stimmt schematisch mit der Skizze der fig.3
und 4 überein. Fig.7 ist ein Veitch-1)iagrauim, das die Art und Weise veranschaulicht,
in der die Uteuerschaltung für den Betrieb des Schrittmotors der Fig.5 gemäß der
Erfindung betätigt wird. Das Diagramm der Fig.7 entspricht der Steuerung eines Schrittmotors
40 für eine der beiden Koordinatenachsen, beispielsweise für den X-Achsenmotor.
Selbstverständlich kann der Schrittmotor für die andere Koordinatenachse in gleicher
Weise gesteuert werden. Die Steuerschaltung für den Schrittmotor
enthält
vorzugsweise mehrere Flip-Flop-Stufen, die später noch eingehender beschrieben werden:
Die Flip-I`lop-Stufen können in der zu beschreibenden Weise gesetzt oder eingestellt
werden; zum Beispiel kann. jedes Spulenpaar des Schrittmotors, etwa das Spulenpaar
ls-4s, durch eine eigene Flip-Flop-Stufe gesteuert werden, die an die Stelle des
Schalters 2-4 der Fig. 3 tritt, wobei der eine Ausgang des Flip-Flop den Erregungszustand
der Spulen ls-4s herstellt und der andere .Ausgang desselben Flip-Flop den stromlosen
Zustand des zugeordneten Spulenpaares bewirkt.
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Das Veitch-Diagramm der Fig.7 stellt die verschiedenen Zustände dar,
die von einer .Anzahl von Steuer-Flipflops gemäß der Llrfindung hergestellt werden
können. Fig.8 zeigt ein Schema de£ Schaltanordnung, die dazu dient, die Wechsel
zwischen den in Fig.7 gezeigten Zuständen zu bewirken. In Fig.7 repräsentieren die
1,.1t XL1, XL2 und xL3 bezeichneten Kästen die Erregungszustände fü.r die Flipflops,
die die entsprechenden Spulenpaare steuern. Zum Beispiel möge XL1 dem Erregungszustand
des ersten Spulensatzes 1s-4s entsprechen; XL2 möge dem Erregungszustand des zweiten
Spulensattes 3s-6s entsprechen und XL3 dem Erregungszustand des dritten Spulensatzes
2s-5s; diese Zuordnung ist so hergestellt, daß eine aufeinanderfolgend,e Betätigung
der verschiedenen Erregungszustände in der Reihenfolge XL1-XL2-xL3 eine Drehung
des Rotors 2o im Uhrzeigersinn bewirkt. .r,'ntsprechend bedeutet 'der Kasten X:L1
plus XL2 einen Erregungszustand des ersten und des zweiten Spulensatzes ls-4s und
3s-6a. Der Kasten XL2 plus XL3 entspricht der Erregung des zweiten und des dritten
Spulensatzes,
und der Kasten XL1 plus X13 einer Erregung des ersten
und des dritten Spulensatzes. Zur Vervollständigung des Diagramms sind auch noch
die weiteren Zustände XL1 plus XL2 plus XZ3, die die Erregung aller drei Spulensätze
versinnbildlichen, und NONE, das den Fall darstellt, wenn keiner der Spulensätze
erregt ist, beigefügt, obwohl diese zusätzlichen Zustände beim normalen Betrieb
gemäß der Erfindung nicht verwendet werden. »ie aus "ig.7 ersichtlich, sind die
Kästen XL1 plus XL2, XL2 plus XL3 und XZ1 plus XL3 durch dicke Linien miteinander
verbunden, die nach beiden Richtun-,en weisende Pfeile haben. Dadurch wird angezeigt,
daß zwischen den genannten Kästen ein schrittweiser Übergang nach beiden Richtungen
erfolgen kann. In dem speziellen ausführ@ngsbeispiel, das von dem Veitch-Diagramm
der Fig.7 versinnbildlicht wird, gehören die Kästen XL1, XL2 und XL3 zu Zuständen,
die nicht verwendet werden, außer wenn die Schaltung aus Versehen in einen solchen
Zustand versetzt wird. Lies kann beis@@ielsi:eise geschehen, wenn die Einrichtung
anfänglich in Gang gesetzt wird. In diesem Fall erzeugt der allernächste Steuerimpuls,
der an das System angelegt wird, einen -Übergang, wie er durch die gestrichelten
Linien der_Fig.7 angedeutet ist. Wenn die Schaltanordnung zum Beispiel entsprechend
dein Kasten XL3 erregt isty verursacht der nächste Steuerimpuls einen Übergang zu
dem Zustand XL1 plus XL2, in dein eine Gruppe von zwei Spulenpaaren erregt ist;
danach erfolgen Übergänge zu der einen oder der anderen Spulenpaargrui"r.e, je nachdem
ob der nächste Steuerimpuls eine Schrittdrehung im Unrzeigersinn oder entgegen dein
Uhrzeigersinn verlangt.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist
eine besondere Schaltung vorgesehen, die die Möglichkeit berücksichtigt, daß das
System in einem Zustand sein kann, wo entweder alle Flip-Flops (XL1 plus X'L2 plus
XZ3) oder gar keines erregt ist, wie dies beim Einschalten der Vorrichtung geschehen
kann. Die Übergangsschritte sind mit dünnen ausgezogenen Linien gekennzeichnet,
die nur einen Richtungspfeil haben. Durch die nächstfolgenden Steuerimpulse erfolgt
ein Übergang von dem NOTE-Zustand zu dem XZ1 plus XL2 plus XZ3-Zustand und von dort
zu dem XZ2 plus XL3 Zustand, worauf der Betrieb wie beschrieben weitergeht, Das
Veitch-Diagramm . der Fig.7 ist so konstruiert, daß es drei Dimensionen darstellt
entsprechend den drei Spulenpaaren, die in dem hier beschriebenen Rotor des Schrittmotors
erregt werden= selbstverständlich können jedoch auch Schrittmotorformen mit einer
anueren Anzahl von Otator-Spulenpaaren verwendet werden und in diesem 2a11 wird
das Veitch-Diagra.mm andere Dimensionen haben je nach der Anzahl der vorgesehenen
Stator-Spulenpaare. Anders ausgedrückt, das Veitch-Diagramm der Fig.7 wird n-dimensional
sein, wobei n der Anzahl der Stator-Spulenpaare entspricht. Eine beispielsweise
Schaltanordnung zur Steuerung eines Schrittmo-bf jrs, wie etwa des Schrittmotors
40 der l'ig.5, auf die in dem Veitch-Diagramm der Fig.7 dargestellte Weise ist in
dem Blockschaltschema der Fig.8 gezeigt. In diesem Schema sind rlip-Flop-Stufen
XZ1, XZ2 und XL3 dargestellt, die jeweils binäre Ausgänge (0 und 1) sowie eine Setz-
und eine Rücks tell-Leitung (S bzw. R) haben. Wie I'lil)-1`lops sind
in
Stufen mit einer- Yehrzahl von "Und"- und "OcLer"-Gattern zusarmengeschaltet, um
die gewünschte Weiterleitung der angelegten Eingangsimpulse zur Steuerung des Systems
zu bewirken. So sind in der ersten Stufe, in der U1 liegt, drei "Und"-Gatter 1o1,
1o2 und 103 mit einem "0der"-Gatter 105
und dem Flip-Flop xL1 zusnmangeschaltet.
In gleicher Meise enthält die zweite Stufe die "Und"-Gatter 2o1, 2o2 und 2o3 # mit
dem "Oder"-Gatter 205 und dem Flip-Flop h'Tr2 und die dritte Stufe enthält die "Und"-Gat-@er
3o1, 3o2 und 3o3 und das "Ocier"-Gatter 305 mit dem 2lip-Flop x13._ j'ie
drei Stufen sind in gleicher Weise geschaltet. Weiter ist eine Impulsquelle vorgesehen,
die CW-Impulse (im Uhrzeigersinn) und CCW-Impulse (entgegen dem Uhrzeigersinn) an
die Eingangsleitungen 91 bsw. 92 der Schaltanordnung anlegt, die von dort in ein
"Oder"-Gatter 94 gelangen, dessen Ausgang zu einander entsprechenden Stellen in
den drei Stufen geleitet wird. Mie Impulse aus dem "0 der11-Gatter 94 werden abwechselnd
in die entsprechenden Stufen eingegeben, je nach den Zuständen, in denen sich die
Flip-Flops XL1 bis XL3 gerade befinden. Die erste Stufe sei als Beispiel genommen:
Der Eingangsimpuls aus dem "Oder"-Gatter 94 (der entweder einem CW- oder einem CCW-Impuls
entspricht), wird in nie ötufe eingegeben, um das Flip-Flop XL1 zu setzen und die
"Und"-Ga,-tter 1o2 und 1e3 nur wirksam zu machen, wenn das "Urid"-Gatter 1o1 durch
einen aktiven Zustand an dem 0-Ausgang des Flip-Flop XL1 wir'r-sam gemacht istg
was dem inaktiven oder Rückstell-Zustand des Flip-Flop entspricht. Folglich wird
ein inaktiver
Flip-Flop durch Anlegen eines Steuerimpulses in
den. aktiven Zustand gesetzt, Die Gatter 1o2 und 103, die von dein, wie angen_omment
durch das Gatter 1o1 durchgegangenen Impuls wirksein gemacht sind, « ,z lassen den
angelegten Steuerimpuls (entweder CW oder_CCW) zu einem nachfolgenden "0der"-Gatter
105 oder 205 passieren, je nach der Reihenfolge der Erregungsfolge
und je nachdem welcher Flip-Flop Xh2 oder XZ3 rückgestellt werden soll. Falls also
das Flip-Flop XZ1 inaktiv ist, wenn ein CW-Impuls zugeführt wird, wird das Flip-Flop
XZ2 rückgesetzt und das Flip-Flop Xh1 gesetzt, so daß eine Schrittdrehung des Schrittmotors
im Uhrzeigersinn erfolgt. Vienn dagegen ein COV- Impuls empfangen wird, wird stattdessen
das Flip-Flop XL 3 rückgestellt, so daß eine Weiterdrehung des Sclrittmotors entgegen
den- Uhw7eigersinn erfolgt. In der beschriebenen Schaltanordnung ist noch zusätzlich
ein "Und"-Gatter 12o vorgesehen, w.. gegebenenfalls die Situation zu bew4.ltigen,
wenn alle Flip-Flops gleichzeitig erregt sind.
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Las Gatter 12o ist an die 1-Äusgänge der Flip-Flops angeschlossen,
so daß es in einer solchen Situation wirksam gemacht wird. Der nr#--:chste Steuerimpuls
CW oder CCW wird von dem wirksam gemachten Gatter 12o durch das "Oder"-Gatter 3o5
geschickt, wo er als ein zusätzlicher Eingang auftritt und das Rücksetzen der Flip-Flop-Stufe
x1,1 bewirkt; damit ist der gewünschte Zustand hergestellt, da(3 die beiden Flip-i"lops
xZ2 und XZ3 eingeschaltet sind wie dies in Fig.7 gezeigt ist. Somit ist klar ersichtlich,
wie die in 1'ig.8 dargestellte Schaltanordnnung die erstreb ie Betriebsweise in
Übereinstimmung mit dem Veitch-Diagraxcm der Fig.7 gewährleistet ohne Rücksicht
auf den
Erregungszustand des Systems beim Empfang der zugeführten
Steuerimpulse.
-
Die Fig.9 und 1o stellen eine besondere Ausführungsform der Erfindung
zum Steuern eines Schrittmotors mit verbesserter Funktionsweise dar; hierin ist
zwischen den Erregungszuständen der beiden Spulenpaargruppen, wie sie Ilig.7 zeigt,
ein Übergangsschritt eingeschaltet. Fig.9 ist ein der Fig.7 ähnliches Veitch-Diagramm,
bei dem jedoch die tbergangsschritte gezeigt sind, die in einer zeitweiligen Erregung
eines einzelnen Spulenpaares bestehen. Sonst entspricht die Funktion dieser Ausführungsform
derjenigen der Fig.7; aus GriLuden der Vereinfachung sind daher in Fig.9 nur diejenigen
Übergänge, die sich von Fig.7 unterscheiden, dargestellt. Fig.1o zeigt die entsprechende
Schaltanordnung als Blockschema. Sie entspricht der Schaltanordnung der Fig.8 mit
Ausnahme eines zusätzlichen Verzögerungselementes 13o, 23o oder 33o, das in der
S-Zuleitung (Setzeingang) jeder der drei Stufen liegt. Die Verzöjerung dieser Elemente
ist so gewählt, daß sie annähernd die Hälfte der Periode der angelegten Steuerimpulse
beträgt. Sie dient dazu, sicherzustellen, daß das Flip-Flop, das gerade aberregt
ist, in einer Zeitspanne, die gleich der Verzögerungsspanne ist, rückgesetzt ist,
bevor das nachfolgende Flip-Flop gesetzt wird.
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Im Vorstehenden sind spezielle Anordnungen und Verfahren eines Systems
zum Steuern eines Schrittmotors gemäß der Erfindung beschrieben mörden, um zu veranschaulichen,
auf welche Weise die Erfindung sich nutzbringend anwenden
läßt.
Die Lrfindung soll jedoch nicht auf diese beschriebenen Systeme beschränkt sein,
sondern auch alle möglichen Modifikationen, Abänderungen oder äquivalente Anordnungen
erfassen, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.
1.
Verfahren zum Betreiben eines schrittweise arbeitenden digitalen Schreibers mit
einem Schrittmotor, welcher eine erste Vielzahl von Statorpolen mit einer entsprechenden
Anzahl von Statorpolspulen und eine von der Statorpolzahl verschiedene Vielzahl
von Rotorpolen aufweist und bei dem die Statorpolspulen paarweisein je einem Stromkreis
hintereinandergeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorpolepulen gruppenweise
nacheinander durch Anlegen von Impulsen erregt werden, wobei jede Gruppe mindestens
zwei Spulenpaare umfaßt, und das Zuführen der Impulse zu derart gewählten Gruppen
erfolgt, daß der Rotor schrittweise in der gewünschten Richtung weitergedreht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Zuge des Gruppenwechsels
ein Übergangserregungszustand des Schrittmotors erzeugt wird, indem die Steuerimpulse
so geleitet werden, daß ein Spulenpaar der erregten Spulengruppe eine bestimmte
Zeitspanne vor der Erregung des in der Reihenfolge nächsten Spulenpaares außer Strom
gesetzt wird. 3. Anordnung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet
durch einen Schrittmotor mit einer ersten Vielzahl von Statorpolen und Bleichvielen
Statorpolapulen, sowie einer von der Statorpolzahl verschiedenen Vielzahl von Rotorpolen,
durch Schaltelemente, welche die Statorpolepulen in Gruppen zu mindes-