DE1563019A1

DE1563019A1 - Verfahren und Anordnung zum Fortschalten elektrischer Schrittmotoren

Info

Publication number: DE1563019A1
Application number: DE19661563019
Authority: DE
Inventors: Lermann Dipl-Ing Peter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1966-09-30
Filing date: 1966-09-30
Publication date: 1970-04-23

Description

Verfahren und Anordnung zum Portsahalten elektrischer Schrittmotoren Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Portachalten elektrischer Schrittmotoren# die mindestens zwei Feldwicklungen 1 besitzen und durch aufeinanderfolgende Erregung ihrer Peldwiek-' langen um ganzzahlige Vielfache eines Schrittwinkels verstellbar sind.

Elektrische Schrittmotoren dienen zur Erzeugung schrittartiger

Vorschubbcwegungen, beispielsweise zur schrittartigen Weiter-

transport von Informationsträgern in Schnelldruckern, Loch-

karten-, Lochstreifen- und MagnetbandgerUten. Sie besitzet

in allgemeinen mehrere Feldwicklungen, v,,#n denen jeweils

:.iindestens eine erregt ist, ur.: den Viufer in einer Ruhe-

Gtellung festzuhalten. Nach Urschaltung des Erregerntromes

auf eine andere Feldwicklung dreht der Läufer um einen

Schrittwinkel v;eiter.

Elektrische Schrit tnotoren besitzen die nachteilige Oigen-J

schart, daß der .Läufer beiß Si#I-il1 setzen über die vor'geaehcne

Ruhestellung hinausschrringt und erst allmählich in diese

einpendelt. Di2a bc:rrfh` <,iarauf, daß das Drehmonent dee Schritt-

motors mit Erreichhti der vorgesehenen Ruhestallung äuf ;den

Vert Null -:bninl_t, um bei weiterer Drehung negativ zu wer=

den. Ein elektrischer Schrittnotar weist in der Ruhagtellung

kein Ra,tr:o-ent auf, sondern besitzt hier eine f@ioMentetlw

charnkteris tik, die der einer Drehfeder entopribht.

Es wurde schon vorgeschlagen, zur Verringeru:ig de Über-

schvring eno ritte Reibbremce zu verwenden, die dämPfend auf den

DUufer wirkt und ein,#aschoo Abklingen der SchwingUngeeehoi-

führt. Zur Erläu terung diesen Sachverhaltoö ist in Figur 1

riet Zeichnung das Drehmoment 1d einen - elektriochsf 2chtitt-

iiottx- a ütcr der Drehwinkel äufgetragen. I?nrin besohtdibt

Kurve 1 den Drehmomentenverlauf einen Schrittrotors-, ohne

zunützlichea-Reibmoment reit Nulldurchgang in der angestrebten

Quhestellung (ji, Kurve II ein zusätzliches Reibmoment und

Kurve III den resultierenden Morzentenverlauf des mit zu-

eUtziicherr Reibmönent au; geotatten Schrittmotors. Die

hchräftierte Fläche HA gibt die. Deschleunigungsarbeit und

die Fliehe VA die Verzögerungsarbeit wieder. -Durch geeignete

pirensiänierung der Bremse lüßt. sich in Prinzip erreichen,

daß der-Läufer

in die vorgesehene Ruhestellung

dreht. Die in Eetrieb meist unvermeidlichen Lastschwankungen

stören jedoch diese Abstimmung, ; o dar, gr üPere Winkelfehler

in der Ruhcziellung auftreten. Eine weitere bekannte Ma. ß-

nah,:.e sieht deshalb zus@itzlich eine mechanische Düst vor, derer:

ildstror..bnt größer sein muß als daa gesamte auf den Läufer

wirkende Reib- und Lastroment. Diece Maßnahme hat aber den

:;äohtei1, -daß durch die Reibbremse nutzbare Energie verloren

.gtaht ; - . .

Der Erfindung liegt; die Aufgabe zugrunde, beim Stillnetzen

von elektri--cii--ii Schrittmororen starrte und irgsar: abklingende

Fendelbe<<egungen um' di,- vorgesehene .-#.uhcotci jung durch

schal tungc tcchni^che 3Sa enahmen zu vermeiden und dabei gle;ch-

zeitig die @chrittber:cgurig in die vorgclehene -3uhestellurcg

in kürzerer Zcir dur chzuführen.

Dies c Aufgate wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die

Feldwicklungen des elektrischen Schrittrroi.r nucheinandc

--iner Folge vcn Eipulsen mit der Drehbevregung angepaßter

Dauer und Amplitude derart erregt werden, daß der Läufer

den Schrittmo tors in der Besclileunigungaphaze den Erreger-

feld nachläuft, in der anschlief33enden Verzögerungsphase

den 'rregerfold vorausläuft und schließlich bis zu Beginn

ele r n:icha tcn z^hrittartigen Drehbeilegung in der vorge^ehenen

R@=fä,@^te llung durch das .Erregerfeld festgehalten mird.

Iiach diesem Verfahren arbeitende Anordnungen set-zen voraus,

da," -.?er Schri zovielc inzel^chritte pro Um-

drehung @.ufr;ei: t, als IRuhcotellungen gefordert nerdcn. Dabei

ruP n 2 2 nein. Die aua die; er Forderung resultierende klein re

Schritteilung ergibt verschicdcne Vcrteiie. Je kleiner der

Schritt:;inkel eines elektrischen Schrittmotors ist, desto

kleiner sind die Polabstände zwischen Läufer und Ständer. Da-

mit steigt bei gleichbleibender magnetischer Durchflutung

die magnetische Induktion und dadurch das Drehmoment. Gleich-

zeitig wird dabei der linkclfetilcr in der Ruhelage verkleinert.

Der Läufer kann bei gleicher magnetischer Durchflutung einen

Geza.^.; t"c@:ri tt;vinkel umso schneller durchlaufen, je größer

,:an hierfür die Zahl der ineinander übergehenden Einzel-

schritte

Drei nach dem Verfahr e . der Erfindung arbeiiolde Schaltungs-

anordnungen sind als Ausführungsbeispiele der Erfindung in der Zeichnung dargestellt unC!-7erden in folgenden näher beschrieben.

Es zeigen: Pigurl das charakteristische Drehmomentenverhalten eines Schritt.-otors bei aperiodisch gedämpfter Tierstellung um einen Schrittwinkel nach den Stande der Technik, Figur 2 eine.erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur zeitabhängigen Ansteuerung eines dreiphasigen Schrittmotors für sechs Einzelschritte pro Gesamtbewegung, Figur 3 den Bewegungsablauf für sechs Einzelschritte pro Gesamtbewegung entsprchend der zeitabhängigen An.-stcuerung gemäß Figur 2, Figur 4 eine Schaltungsanordnung zur zeitabhängigen Ansteuerung eine: drciphacigen Schrittmotors füz'jlrci Einzelschritte pro Gesamtbewegung, Figur 5 die Ansteuerung eines dreiphasigen Schrittrotors in einer Phasenkette, Figur 6 eine Schaltungsanordnung zur winkelabhängigen Ansteuerung eines dreiphasigen Sehrittn.otors für drei Einzelschritte pro Gesamtbewegung.

Bei der in Figur 2 dargestellten Schaltungsanordnung zur zeitabhängigen Ansteuerung für einen dreiphasigen Schrittnotor sind die drei Feldwicklungen ,91, '2 und Q113 des Schrittmotors über Transistor-Leistungsverstärker als steuerbare 1,1 Schalter S1,,S2 und S3 erregbar. Die Steuereingänge dieser Schalter sind über Entkopplungsdioden D mit den Ausgingen einer Kettenschaltung aus Verzögerungsgliedern L1 bis L5, die beispielcv;eiae durch monostabile Kippstufen realisiert sind, verbünden. Das letzte Glied H der Kettencehaltung stellt einen selbsthaltenden Schulter dar, der beiapiel ,:-reise aus einer bistabilen Kippstufe bc-teht.

Auf Einen dem Eingang E der Kettenschaltung zugeführten Ein-

gangsimpuls hin wird der in Figur 3 dargestellte Bewegungs-

ablauf eingeleitet. Die Stufe Z1 steuert während ihrer Impuls-

dauer t1 den Leistung sver; türker S1 an. Somit führt die

Wicklung W1lDtrom. Der Läufer des elektriechen Sehrittno toro

dreht sich dadurch um den Einzel:chrittwinkelß1. Nach der

Impulsdauer t1 fällt die Stufe L1 in ihre Ausgrn gootellung

zurück, so daß die Wicklung W1 von der Spannungsquelle U

abgetrennt wird. Gleichzeitig läuft die Srufe Z2 der Ketten-

schaltung an und setzt :rährcnd der Impulczei t t2 über den

Lei; tungsvers tärker S2 die ;licklung ,Y2 unter Hierdurch

dreht der Läufer um den Einzel; chritt;°rinj-,el 3 2 1 weiter.

In gleichcr Weise arbeiten die Stufen L2 bis Z5. Durch die

Ansteuerung des Leistungsverstärkers S3 durch das Verzögerungs-

glied L3 wird der Läufer von der ;7in'I-,clstellung "j2 bi:, :aur

Winkelstellung 133 be: chl eun:Lgt und von da an bis zur :< <nkel-

stel lang y@ii verzögert. Da die @erzögerql;s:de.e:r h4 und U

erst mit Erreichen der Winkel [. 4 bzw. j: 5 diL Jeweiligen Lc-

s tung; verotärker ansteuern, wird der Läufer hierbei very öga2s i:.

@: den Ende deo von der Stufe Z5 abgegebenen -mpulseo ;rirl

der Leistungsverstärker S3 von den selbsthaltenden Schalter

1i angesteuert, wodurch die Wicklung W3 Strom führt und don

inzwischen abgebrcncten Läufer in der neuen Ruhentellung

##R ai ye.t#teu:.#t:_

hält. her lci@tt@ng.we r# tär#cer!#tt@ng.w er #tär#cerc# 'erntär#c Zer S3 bleibt tn ,.ol.ry ##@g,. . -i'

bis ein neuer Eingangsimpuls die Stufe H zurücl:wc"zt. Bei.

der teschriebencn Ansteuerung werden die Wicklurgen in del,

Folge Y!1, i!2 und i(13 zt,c:i.:@al pro Geoumtbevregung errogt. liier e

Folge kann bei einer snt,s prechenden Schalturgsanordnun;-

häufiger ablaufen.

Eine Ansteuerung,bei der die Folge nur einmal :bläuft, ist

in i'igur 4 darge.-tellt.

Besit: t ein Schrittmotor ein permanentes Haltemonent oder

ist dera@Uufcr dich ein ausreichend hohes ßeibungsmorent

gebrcnst, un hierdurch in der Ruhestellung gel-&al ten zu vrerden,

o is.t es möglich, die Erregerwicklung tiie in Figur 5 darge-

stellt, in-eine Laufzeit- oder Phasenkette zu legen, die mit

ihrem ',ellencriders tand abgeschloÜZ en ist. Die drei Feld-

%vicltlungcn IM, r@` und W 3 bilden dr:bei eine Reihenschaltung,

die mit der ;Y@IIentviders tand :? als letztem Glied abschliePt

und bei der von den Verbindungspunkten dieser Serienglieder zu der freicn Ende des Wellenwiderstandes R Kondensatoren C1, C2 und C3 mit der..1 Bewegungsablauf, angepaßter Kapazität geschaltet sind. Durch Betätigung des steuerbaren Schalters S über den Steuereingang Et wird diene Schaltungsanordnung zeitweilig an die Versorgungsspannung U angeschlossen. Damit werden die Erregerwicklungen 711 , 'iY2 un4N3 des Schrittmotoro aufeinanderfolgend erregt, wodurch der Biotor bei Wahl geeigneter Konden.-atoren C1, C2 und C3 in einer Folge von drei Einzelschritten einen Gesamtschritt durchführt. In Figur 6 ist abschließend eine Schaltungsanordnung dargestellt, bei der die einzelnen Motorwicklungen in Abhängigkeit von der Winkellage des Läufers angesteuert vrerden. Mit dem Läufer dreht sich eine Taktscheibe, die beispielsweise photoelektrisch abgetastet wird. Die Photozelle ist derart justiert, daß jeweils bei Erreichen einer Einzelschrittstellung ein Taktimpuls an den Eingang T auf das UND-Gatter G kommt. Die Stufen BE1, BE2 und BE3 bezeichnen bistabile Elemente, die bei.piel:v@eise durch bistabile Kippotufen realisiert. sein können. Ein an den Eingang E" der dargestellten Steuerschaltung gelangender Startimpuls@bringt die Stufe BE1 in die Zage "1", so daß die Wicklung 711 über den Leistungsverstärker S1 stromführend wird. Dadurch wird der Läufer beschleunigt und um einen Einzelschrittwinkel gedreht. Mit dem

ätartim puls kippt gleichzeitig die Stufe BE3 in die Lage '@0",

wodurch das UND-Gatter. G für Taktimpulse vorbereitet wird.

Bei Erreichen der ersten Einzelschrittstellung kippt der am

Eingang T zugeführte Taktimpuls über das Gatter G die binäre

Zählstufe F in die Zage "1". Hierdurch wird vor/der Wicklung

;"l1 auf die Vlicklung »f2 umgeschaltet und der Läufer weiter

beschleunigt in die nächste Einzelschrittotellung gedreht.-

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Bei irreichen dieser Einzelschrittstellung kippt ein neuer

Taktimpuls an Eingang T die Stufe F in die Zage "0", wodurch

die monostabile Stufe IVIS verzögert von ficklung t2 auf Wicklung

1J3 schaltet. Während dieser Zeit wird der Läufer soweit -ab-

gebrcmst, daß er die neue Ruhestellung aperiodisch erreicht.

Die zuletzt beschriebene Schaltungsanordnung hat gegcn über

den beiden zuvor beschriebenen Ausführungobeispielen der

Erfindung den besonderen Vorteil, daß Lastschwankungen auf

die Ansteuerung des elektrischen Schrittrotors einen vresentlich

geringeren Einfluß haben.

Claims

Patent a-n s p r ü c h e 1. Verfahrep zum Fortschalten elektrischer Schrittryotoren, die mindestens zwei Feldwicklungen besitzen und durch aufeinander-C> Erregung ihrer Feldwicklungen um ganzzahlige Vielfache eines Schrittwinkels verstellbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur schnellen Ausführung von ocrrittartigen Motordrehbewegungen mit abochließendera überschwingfreien Stillsetzcri die Feldwicklungen des elektriochcn Schrittmotors nacheinander mit einer Folge von Impulscri mit der Drehbewegung angepaßter Dauer und Amplitude derart erregt `:erden, da ß der Läufer de-) Schrittmotors in der -eochleuni--;ungopraoe dem Erregerfeld nachläuft, in der anochließcnden Verzögerungspha^e dem Erregerfeld vorauolEuft und schließlieh bis zu Beginn der nächsten schrittartigen Drehbe,-;egung in der vorgesehenen Ruhestellung durch das Erregerfeld fe:t-;ehalten wird. _ 2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anopzu eh 1, gekennzeichnet durch eine Kettenoehaltung von Verzögerunüsgliedern (Z1, 12, ...), die auf ein Auälö;eoignal am Eingang (E) hin nacheinander aufeinanderfolgende Peldwicklungen (UM, t'12, . . .) des elektrischen Schrittmotor-, über steuerbare Schaler (S1 S2 ... reit derer. Steuereingängen die Verzögerung;gliedcr (Z1, Z2, .,..) verbunden sind, an die Kotorbetriebowpannung (U) anschließen, und durch einen selbsthaltenden Schalter- (1I) am Ende der Kettensclialtun;", der durch das letzte Verzögerungsglied in der Kettenschaltung gesetzt wird, durch ein erneutes Auslö sesignal an Eingang (E) der Kettenschaltung in seine Grundstellung zurückfällt und der in gleicher Weise ivie zuvor die Verzögerungsglieder (Zi, L2, ...) die nächstfolgende Feldwicklung an die Motorbetriebs opannung (U) anschließt. 3. Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Ent-.kopplungodiedcn (D) zwioclicn je einem Feldwicklungsschalter-Steuereingan,g und zwei oder mehreren .Gliedern der Ket tcn-:3chaltung (L, 11) bei mehrfacher Erregung der Feldwicklungen während einen Beivegungaspiel o. 4. Anordnung nach Anspruch 2, gekcnnzeiclinet durch monostabile Kippstufen als Verzögerungsglieder (L1, L2, ...) in der Kettenoehaltung. 5. Anordnung - nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine biätabile Kippsture als selbsthaltender Schalter (1i) am Ende der Ketten schalturig. 6. Anordnung zur Durchführung des Verfahren-" nach Anspruch i für elektrische Schrittrotoren, die ein permanentes Halterorent benitzcn, cder bei denen derLäufer durch ein Zuüütlichea Reitung^mor-cnt gebremst ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldwicklungen ('..71 , 1'V2, . . .) de; elcktri;ichen Schritt-- r..otor o hintercir.ander in einer Laufzeit- cdcr Phesenkette liegen, die mit ihre;:: Wellenwiderstand (R) ,@bge ochlo s: en i st, 7. Anordnung na cli ton epruch 6, gekenn--ciclmet durch eine @ei- hen; cli 1 ti.n",; aufeinanderfolgender Feldwicklungen (171, 1'V2, ... ) und der: ;;'elleii;:ic?eretard (P) a1.01 letZtcri Glied, bei der von den Ver r:indur@ .-;,nun?; teü die.,-,er Serienglieder (1i1 , ?'l21 .. ., R) zu dem freien Enle dec; 1'!ellen wider-ta ndes (ß) '-Kondensatoren (:11 , r:it dem Be;;cuun,;:;ablauf angepaßter Kapazität geoch2lte . sind und durch einen steuerbaren Schalter (S) über den diece @;cl_a.ltunü zeit"-:eilig "n die Motorbetriebc- spa:nnur@- (7'` @:n::;:?iließbar i^t. B. Ancrd::ung zur :@;zrclifülirung de:; t@erfal.rens nach Ancpruch ":, ;ekcj:nzciclir.e t durch eine mit den Läufer des elektri#-,chen zur ;;irl:el=;bliürigi;;en !,r teuer@inV; der aufeir_- a: 1',, . . .) sich drehende s:-:@@4@, @cdc:du@@Illaufe-Cy: Schrlttlllrkel ( ('J# f abgi t, ei:ie Ket tcii:,clialtung vor, ri:-tr:b@.le:: rlc::c:`#L#. 13E), die nach einem ä,u:,lä2,c^ignal am 'rr r- @ r t 4 e , (-- t e.^. c°z:. r bictabilc:i Eilemerte- (BE1) am An- . der =' #n r 2 c.'.n# ,- @: .-,-@s ._ -je:.e:: vcr. der i4!. v.,We-@ be ge- a k z a c'- na n u` u- - Zu-t nd ändern, '.n clie üf:cuereir@- -"n@' ar reccl:_c.ssc::e .: _c@:crb@r1 "chal @c..Y, (-,1 äks ... )s die

nacheinander aufeinanderfolgende Feldwicklungen (i,191 W2, ...) des elektrischen Schrittmotor, an die I.Io terbetrieb.^,epannung (U) anschalten, eine Schaltungsanordnung, die das letzte bi- otabile Element am Ende der Kettenschaltung bei jeder.: Auu- lösesignal für ein Bewegungsspiel des Schrittnotorl ZurUck- Stellt,und durch Verzögerungseinrichtungen, die die Zustand.-,- r.> g der für die Verzögerung^phase in der Motordrehbewe- gung zust@:ndigen bistabilen Elemente verzögert erfolgen las- en. 9. Anordnung nach Anspruch 2 oder 8, gekennzeichnet durch Lei Stunt, -)tra:i;,i -,torcn oder Triyri utoren als Schalter (ä11 S21 . . . ) für den aufeinanderfolgenden Anuchluß der Feldwicklungen (Vi1, 1;:2, . . . ) des elch triSchen Schrittmotor, an die i.-1o torbc- triebspannung (U) .

1i?. nordnung nach Anspruch 8, £;ckcnnzeichnet durch Entkopp- lüiin.^.dioden (D) zwischen je einem Feldvrieklung,^, clialter-Steuer- cin_;aa@; und zwei oder mehr Gliedern der ettcnschaltung aus bi- stabilcn ylcr^eiiten (BE) bei merirfacher Erregung der Feld- wicklungen ;,öhrend eineu Bev"egungo.-piela. 11. Anordnung nach Anupruelz n, gekennzeichnet durch je eirse roncctabilo Stufe (1?S) in der Taktzuführung zu deal verzögert auszulö.^.cnden bi Stabilen E.lencnten der Ketten Schaltung.