DE1613172B2 - Steuerschaltung zum betrieb eines schrittmotors im schnellgang - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuerschaltung für einen beim Mehrschrittbetrieb im Schnellgang betreibbaren Schrittmotor, der einen mindestens einpoligen, mit mehreren ersten Polzähnen versehenen Rotor und mindestens vier mit zweiten Polzähnen mit von den ersten Polzähnen abweichender Teilung versehene, jeweils Wicklungen tragende Statorpole aufweist, die in Abhängigkeit von der jeweiligen durch Kommandosignale bestimmbaren Betriebsart im Schnellgang periodisch bei geschlossenem Steuerkreis und von der durch eine erste Stellungssignale abgebenden Schrittdiskriminator erfaßten Rotorschrittstellung einzeln oder paarweise erregbar sind, indem aus den Kommando- und Stellungssignalen ein logische Schaltkreise enthaltender Umsetzer die Steuersignale zur Rotorbeschleunigung oder Bremsung bildet, die in einer Erregerschaltung Erregerstromimpulse für eine oder zwei Wicklungen erzeugt, wobei bei einem Lauf des Rotors im Schnellgang zwei Wicklungen gleichzeitig erregbar sind, deren resultierendes Magnetband um einige Schritte von der jeweiligen Rotorschrittstellung entfernt sind. Eine derartige Steuerschaltung ist durch die BE-PS 6 81434, der die DT-AS 15 38 832 entspricht, bekannt.

Die erfindungsgemäße Steuerschaltung bezweckt eine Weiterentwicklung und eine Anpassung der Betriebsart eines Schrittmotors an die gesteigerten Forderungen hinsichtlich einer erhöhten Betriebsgeschwindigkeit, größerer Betriebssicherheit und einer besseren Ausnutzung von Funktionsmöglichkeiten in Hochleistungsantrieben. Derartige von verschiedenen Kommandosignalen gesteuerte Schrittmotoren werden beispielsweise als Antriebselemente in elektrischen Datenverarbeitungsanlagen verwendet, wo in Anpassung an die sehr schnelle elektronische Signalverarbeitung auch mechanische Antriebselemente erforderlich sind, die sehr präzise und mit höchster Geschwindigkeit über kürzere und längere Bewegungsstrecken zu betreiben sind. In Datenverarbeitungsanlagen werden diese Schrittmotorantriebe zum Transport von Lochkarten und Informationsträgern verwendet, oder zum Papiervorschub in Druckern, zur Schreibwerksteuerung oder auch als sonstige mechanische Betätigungselemente. ■ ■

Dem Fachmann sind verschiedene Konstruktionen von Schrittmotoren, die auf unterschiedlichen Prinzipien basieren, bekannt, desgleichen auch verschiedene Steuerschaltungen zur Bildung von Antriebssystemen. Diese Schrittmotor-Antriebssysteme haben gegenüber den bekannten Gleich- oder Wechselstrommotoren den Vorzug, daß sie schnell und auf verhältnismäßig einfache Weise sehr kurze oder längere Bewegungsschritte genau ausführen können und an die jeweiligen Erfordernisse gut anpaßbar sind. Die Erregung der Schrittmotoren zur Beschleunigung des Rotors, zur Drehung über verschiedene kurze oder längere Strecken und zur Bremsung bzw. zum Halten des Rotors in der Zielstellung erfolgt vorwiegend durch Gleichstromimpulse, die einzeln oder in Kombination zur ein- oder zweiphasigen Erregung an die Wicklungen des Schrittmotors gelegt werden. Der Schrittmotor kann dadurch in einphasiger oder zweiphasiger Betriebsart laufen, gebremst oder in seiner Zielstellung gehalten werden.

Der Rotor eines Schrittmotors kann einen oder auch mehrere Pole aufweisen. Werden im Stator des Motors gleichzeitig zwei einander benachbarte Wicklungen erregt, was einer zweiphasigen Erregung entspricht, so versucht der Rotor sich auf eine Lage in der Mitte zwischen den zwei erregten Statorpolen auszurichten. Fließt der Erregerstrom jedoch nur in einer Statorwicklung, so versucht der Rotor sich genau auf diesen erregten Statorpol einzustellen.

Die Bildung der jeweiligen Wicklungskombination für einen Betriebsablauf und die Erzeugung der impulsförmigen Erregerströme für die Wicklungen erfolgt in einer dem Schrittmotor zugeordneten Steuerschaltung, die logische Schaltungskreise enthält. In einer derartigen Schaltungsanordnung werden aus eingegebenen Kommandosignalen (z. B. Start, Vorwärts- US, Rückwärts-GUS, Schnell, Haltjund gegebenenfalls auch aus Taktsignalen und den Rückmeldesignalen, welche von einem mit dem Schrittmotor oder der Last gekoppelten Stellungsgeber geliefert werden, die erforderlichen Steuersignale für die Wicklungskombinationen in einer Umsetzerschaltung gebildet. Über nachgeschaltete Treiberschaltungen werden diese ausgewählten Wicklungen erregt.

Die erfindungsgemäße Steuerschaltung ist vorwiegend an einen bekannten Schrittmotor angepaßt, dessen Aufbau und Wirkungsweise ausführlich in dem folgend erwähnten Artikel beschrieben ist: »Characteristics of a Synchronous Inductor Motor«, Verfasser: Arthur E. S η ο w d ο η und Elmer W. M a d s e η, veröffentlicht in Transactions of the AIEE, »Applications and Industry« März 1962, S. 1 bis 4. Bei einer entsprechenden, dem Fachmann geläufigen Änderung, ist die vorliegende erfindungsgemäße Steuerschaltung jedoch auch an andere ähnliche Schrittmotoren anpaßbar.

Ein in dem vorgenannten Artikel beschriebener Schrittmotor enthält beispielsweise einen einpoligen Rotor, über dessen Welle ein hohlzylindrischer in axialer Richtung magnetisierter Dauermagnet angeordnet ist, der an seinen beiden Stirnseiten von zwei Kreisscheiben umgeben ist, die an ihrem Umfang beispielsweise 50 Polzähne aufweisen. Der Stator des Motors enthält über seinem Umfang verteilt, beispielsweise acht mit Erregerwicklungen bestückte Statorpole, die vier Polpaare bilden, welche folgend als Pole bezeichnet werden. Jeder Statorpol ist mit Polschuhen versehen, die ebenfalls mehrere Polzähne aufweisen, deren Teilung jedoch von der Teilung der Polzähne des Rotors etwas ' abweicht, so daß der Stator nur mit 48 Polzähnen versehen ist. Durch einen Stromimpuls wird der Rotor jeweils um einen Schritt von 1,8° gedreht, so daß für einen Rotorumlauf insgesamt 200 Impulse erforderlich sind. Dieser bekannte Schrittmotor ist selbstanlaufend, jedoch ist seine Beschleunigung gering, und dadurch ist er für die eingangs erwähnten Betriebserfordernisse zu langsam. Bei den bisher gebräuchlichen Betriebsverfahren werden jeweils zwei Wicklungen durch Impulsreihen so erregt, daß der Rotor sich in der gewünschten Drehrichtung immer um einen Schritt weiterdreht. Durch die aufeinanderfolgende Einzelschrittbewegung des Rotors ist die erreichbare Drehgeschwindigkeit ziemlich begrenzt. Beim bisher üblichen Betrieb von

Schrittmotoren der vorstehend erwähnten Art erfolgt die Erregung der Wicklungen zur Herbeiführung der Schrittbewegung über eine gewünschte Strecke für jeden Schritt jeweils nach Beendigung des vorhergehenden Schritts. Bei dieser aufeinanderfolgenden Erregung von Wicklungen ist die Geschwindigkeit des Rotors wegen dem langsamen Anlauf und auch wegen verschiedener anderer Verzögerungen, wie z. B. durch Hysterese, auf einen relativ niedrigen Wert begrenzt.

Zur Milderung dieser Nachteile wurde ein verbessertes Antriebssystem mit einem Schrittmotor entwickelt, das vorveröffentlicht in der BE-PS 6 81 434 beschrieben ist. Bei diesem bekannten Antriebssystem mit Schrittmotor werden die Erregerimpulse für die Statorwicklungen zum Antrieb des Schrittmotors vom Motor ij selbst gesteuert. Dieser Schrittmotor ist mechanisch mit einem Schritt-Diskriminator verbunden, welcher auch unter der Bezeichnung »Stellungsgeber« bekannt ist. Dieser Schritt-Diskriminator liefert jeweils wenn der Rotor zu einer Schrittstellung ausgerichtet ist — also am »0 Ende eines Schritts — ein die jeweilige Schrittstellung definierendes Signal an eine Umsetzerschaltung. Dieser Umsetzerschaltung wird auch von Kommandosignalen beeinflußt, die aus diesen und den Rotor-Stellungssignalen in logischen Schaltkreisen und Kippschaltungen die Erregerimpulse für die Wicklungen erzeugt. Bei dieser bekannten Steuerschaltung ist zu der Betriebsart mit unmittelbar aufeinanderfolgenden Einzelschritten zusätzlich eine Betriebsart »Schnellgang« vorgesehen, bei der gleichzeitig eine Wicklungskombination zweiphasig so erregt wird, daß deren resultierendes Magnetfeld etwa zwei Schritte von der augenblicklichen Schrittstellung des Rotors in Drehrichtung entfernt ist, bzw. voreilt. Diese zweiphasige Wicklungserregung nach einem Einzelschritt ist einschaltbar, wenn die geforderte Bewegungsstrecke für eine Drehrichtung des Rotors mindestens gleich oder größer als zwei Einzelschritte ist.

Der vorstehend erwähnte Schritt-Diskriminator ist ein durch die USA.-Patentschrift 30 96 467 bekanntgewordener photoelektrischer Stellungsgeber, der lichtempfindliche Photoelemente (Dioden oder Phototransistoren) enthält, deren Anzahl und Anordnung so gewählt ist, daß jeder Rotorschritt erkannt wird. Dieser Schritt-Diskriminator enthält außerdem eine mit den Photoelementen zusammenwirkende, auf der Welle des Schrittmotors befestigte Lochscheibe, deren öffnungen derart angeordnet sind, daß nur das der jeweiligen Schrittstellung entsprechende Photoelement von einer mit ihr zusammenwirkenden Lichtquelle beeinflußt wird. Als Schritt-Diskriminator sind jedoch auch andere Stellungsgeber geeignet, deren Wirkungsweise beispielsweise auf elektromechanischen, induktiven, kapazitiven oder anderen Prinzipien basiert.

Mit der bekannten, vorstehend kurz beschriebenen Steuerschaltung zum Betrieb eines Schrittmotors gemäß der BE-PS 6 81 434 ist im Schnellgang bei einer stetigen Schrittfolge und einer zweiphasigen gleichzeitigen Wicklungserregung einer Betriebsgeschwindigkeit bis zu 2000 Schritten pro Sekunde erreichbar. Jedoch ergeben sich mit dieser Steuerschaltung und mit dieser Betriebsart »Schnellgang« in manchen Betriebsfällen Probleme dadurch, daß der Rotor in seiner Zielstellung stark pendelt, weil seine Stoppstelle zwischen zwei Statorpolen liegt Die schnelle und präzise Führung des Rotors in seine Zielstellung ist äußerst schwierig und nicht in allen Betriebsfällen zu beherrschen. Diese Rotor-Pendelungen um die Zielstellung sind nicht in allen Betriebsfällen tolerierbar. Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Steuerschaltung bei zweiphasiger Wicklungserregung besteht darin, daß, wenn sich der Motor in seiner Zielstellung befindet und in dieser festgehalten wird, hierzu die beiden benachbarten Wicklungen weiterhin erregt sein müssen, um den Rotor in seiner Zielstellung magnetisch festzuhalten. Dadurch ergeben sich Erwärmungsprobleme für den Schrittmotor. Würde der Erregerstrom abgeschaltet, dann würde der Rotor durch die Wirkung des vorhandenen Dauermagnetfeldes zu einem der nächsten Statorpole drehen und sich auf diesen ausrichten. Unbefriedigend ist bei dieser bekannten Schaltungsanordnung außerdem, daß vor dem Schnellgang jeweils mindestens ein Einzelschritt erforderlich ist, was die Betriebsgeschwindigkeit des Motors beeinträchtigt Ebenfalls ergibt sich am Ende des Schnellgangs bei der Bremsung des Rotors von seiner relativ hohen Schrittgeschwindigkeit bis zum Stillstand ein großer Zeitverlust und dadurch eine durchschnittlich niedere Betriebsgeschwindigkeit, wodurch diese bekannte Steuerschaltung eines Schrittmotors für viele Anwendungsfälle nicht geeignet ist.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, für den bekannten Schrittmotor eine neue und bessere Steuerschaltung zu schaffen, die die Nachteile des bekannten vorstehend kurz beschriebenen Antriebssystems nicht aufweist. Diese neue Steuerschaltung soll so ausgelegt sein, daß der Schrittmotor im Mehrschrittbereich im Schnellgang in beiden Drehrichtungen in einem ersten Geschwindigkeitsbereich vom Anlauf bis zu einer vorbestimmten Geschwindigkeit und darüber in einem zweiten Geschwindigkeitsbereich bei einer höheren Geschwindigkeit betrieben werden kann. Außerdem soll die Bremsung des Rotors an die Geschwindigkeit des Rotors angepaßt werden, so daß sich eine möglichst kurze Verzögerungszeit ergibt und der Rotor ohne Pendelbewegungen in seine Zielstellung gelangt, in der er sicher auch bei nicht erregten Wicklungen festgehalten wird.

Diese Aufgabe wird bei einer Steuerschaltung der eingangs genannten Art nach der Erfindung dadurch gelöst, daß zwischen dem Schrittdiskriminator und dem Umsetzer ein im Schnellgang und bei der Bremsung in den geschlossenen Steuerkreis einbezogener »Letzter-Schritt«-Speicher angeordnet ist, der jeweils das bei Vollendung eines Rotorschritts erscheinende erste Stellungssignal in ein zweites codiertes Stellungssignal wandelt und dieses bis zum Ende des nächsten Rotorschritts speichert, daß der Umsetzer eingangsseitig nacheinander diese zweiten Stellungssignale und in einer durch die Betriebsart bestimmten Folge die Kommandosignale (US, GUS, Schnell, Stop) empfängt, daß im Umsetzer jedes der zweiten Stellungssignale jeweils mit demselben Kommandosignal in logischen Schaltkreisen kombiniert an den Ausgängen des Umsetzers das jeweilige Steuersignal für die Erregerschaltung zur Erregung jeweils einer bestimmten Wicklung oder Wicklungskombination erzeugt, wobei der Umsetzer im Schnellgang in Abhängigkeit von den zugeordneten Kommandosignalen gleichzeitig zwei Steuersignale der Erregerschaltung derart zuführt, daß diese gleichzeitig die erste und zweite Wicklung bezogen auf die Rotorschrittstellung, in Drehrichtung um 1 '/2 Schritte voreilend erregt daß bei einer höheren Schrittgeschwindigkeit des Rotors der Umsetzer Kommandosignale in einer anderen Kombination empfängt, so daß gleichzeitig die zweite und dritte Wicklung um 2V2 Schritte voreilenden Erregungszu-

stand erhalten, daß zur Bremsung des Rotors von der hohen zur niedrigen Geschwindigkeit die Erregerschaltung gesteuert vom Umsetzer die Wicklungen einphasig so erregt, daß deren Magnetfeld der wirklichen Rotorstellung in Drehrichtung um IV2 Schritte nacheilt, und daß bei der Rotorbremsung von der niedrigen Geschwindigkeit bis zur Ankunft des Rotors in der Zielstellung nur die der Zielstellung entsprechende Wicklung erregt ist.

Durch die erfindungsgemäße Steuerschaltung ergibt sich bei geringem Mehraufwand eine schnellere Beschleunigung und Verzögerung des Schrittmotors, wodurch eine viel größere Betriebsgeschwindigkeit des Rotors im Vergleich zu den bekannten Steuerschaltungen erreicht wird. Ein anderer wesentlicher Vorteil ist auch dadurch gegeben, daß der Rotor in seiner Zielstellung nicht wie beim bekannten Antriebssystem durch zwei erregte Wicklungen gehalten wird, sondern sich selbst fixiert, indem in der Zielstellung der Rotorpol sich zu einem Statorpol selbsttätig ausrichtet, so daß der kleinstmögliche Luftspalt besteht, weil in dieser Lage der Rotor durch den Fluß seines Dauermagneten gehalten wird. Durch die erfindungsgemäße Steuerschaltung werden die Nachteile und Probleme des vorstehend kurz erwähnten und bekannten Antriebsystems beseitigt und die Forderungen der Aufgabenstellung voll erfüllt, so daß der bekannte Schrittmotor auch in schwierigen Anwendungsfällen einsetzbar ist und ein sicherer schneller Motorbetrieb besteht.

Diese neue Steuerschaltung zum Betrieb eines Schrittmotors im Schnellgang arbeitet nach einem digitalen Verfahren, bei dem keine Umformung von analogen zu digitalen Werten, oder eine Umformung von Digital- zu Analogwerten erforderlich ist. Der Betrieb des Motors basiert auf einer einphasigen und einer zweiphasigen Betriebsart, wobei die beiden Betriebsarten miteinander kombinierbar sind. Die kombinierte Betriebsart wird zur Beschleunigung des Rotors und beim Synchronlauf verwendet. Eine einphasige Betriebsart wird benutzt, um den Rotor zu bremsen und ihn bei einem Haltebefehl präzise ohne Pendelung in seine Zielstellung zu führen.

Zur Steuerschaltung gehört ein bekannter mit dem Motor gekoppelter Schrittdiskriminator, der als Stellungsgeber für den Rotor die jeweilige Rotorschrittstellung definierende erste Stellungssignale an die Steuerschaltung liefert, wenn der Rotor zu einem Statorpol auch während seines Laufs ausgerichtet ist. Die Steuerschaltung wird von den ersten Stellungssignalen so beeinflußt, daß bei einem Betrieb im Schnellgang gleich beim Start, während der Beschleunigung und beim Lauf des Motors gleichzeitig zwei benachbarte Wicklungen erregt werden, also eine zweiphasige Betriebsart besteht. Zur Bremsung des Rotors hingegen wird die Steuerschaltung durch die ersten Stellungssignale jedoch so beeinflußt, daß nur eine Wicklung erregt wird und eine einphasige Betriebsart besteht.

In einer vorzugsweisen Ausführung wird als Schrittdiskriminator ein bekannter photoelektrischer Stellungsgeber verwendet, dessen Aufbau und Wirkungsweise eingangs bereits kurz beschrieben wurde. Die vom Schritt-Diskriminator erzeugten ersten Stellungssignale werden auf eine als »Letzter Schritt«-Speicher bezeichnete Schaltungsanordnung gegeben, die erstens diese ersten Stellungssignale verstärkt und in zwei binärcodierte Stellungssignale wandelt und die zweitens das Signal für eine abgefühlte Stellung als binäres zweites Steuersignal so lange speichert, bis das Stellungssignal für den nächsten beendeten Rotorschritt erscheint, welches dann bis zum nächsten erledigten Rotorschritt gespeichert wird. Die Verlängerung, bzw. Speicherung der abgefühlten Stellungssignale bis zur Beendigung des nächsten Rotorschritts bewirkt letztlich eine Verlängerung der Erregerimpulse für die Statorwicklungen des Motors und eine Phasenverschiebung zwischen der einphasigen Abfühlung der Rotorstellung und der zweiphasigen Wicklungserregung beim Schnellgang des Motors. Dadurch werden die Vorteile erreicht, daß der Rotor eine größere Anzahl von Schritten/sec ausführt, d. h. sich schneller beschleunigt oder verzögert und somit eine größere Geschwindigkeit bekommt und daß er außerdem in eine stabilere und sichere Haltestellung einläuft in der keine Erregung von Wicklungen zum Halten des Rotors in der Zielstellung erforderlich ist.

Der »Letzter Schritt«-Speicher ist ausgangsseitig mit einer sogenannten Umsetzerschaltung verbunden, die aus einer Kombination von UND-Schaltungen und ODER-Schaltungen besteht, welche eine logisch miteinander verknüpfte Schaltungsanordnung bilden, auf die einerseits die zweiten Stellungssignale und andererseits die Kommandosignale einwirken, wobei letztere der Betriebsart und dem Drehsinn zugeordnet sind. Diese Kommandosignale können beispielsweise von einem Prozeßrechner geliefert werden. Der Umsetzer bildet aus den zweiten Stellungssignalen und den Kommandosignalen Steuersignale zur ein- oder zweiphasigen Erregung der Wicklungen in einer vorbestimmten Kombination. Diese vom Umsetzer gelieferten Steuersignale wirken auf eine Erregerschaltung ein, welche Treiberschaltungen enthält, die aus den Steuersignalen Stromimpulse zur magnetischen Erregung der ausgewählten Wicklungen erzeugt.

Werden im Schnellgang durch die zweiphasige Betriebsart, die der jeweiligen abgefühlten Rotorstellung in der gewünschten Drehrichtung in unmittelbarer Nachbarschaft angrenzende erste und zweite Wicklung gleichzeitig erregt, dann führt der Rotor einen ganzen und einen halben Schritt aus, also 1,5 Schritte. Durch diesen ergänzenden halben Schritt beschleunigt sich der Rotor schneller bis zu einer Schrittgeschwindigkeit von etwa 1200 Schritten/sec, welche dem ersten Geschwindigkeitsbereich entspricht. Durch diese stetige und voraus bestimmbare Beschleunigung, durch die Rotor über seine kritische Geschwindigkeit hinaus in eine hohe Schrittgeschwindigkeit hochläuft, ist die Hochlaufzeit eine bestimmte Zeitfunktion.

Nach Ablauf dieser vorausbestimmbaren Hochlaufzeit erfolgt weiter ein zweiphasiger Betrieb und eine Verschiebung in der voreilenden Erregung der Wicklungen. Auch bei der hohen Geschwindigkeit beeinflussen die Stellungssignale den Umsetzer. Am Ende der vorgegebenen Hochlaufzeit des Rotors wird beispielsweise vom Rechner ein anderes Kommandosignal auf den Umsetzer eingegeben, das zusammen mit dem letzten Rotor-Stellungssignal den Umsetzer so beeinflußt, daß dieser Steuersignale zur gleichzeitigen Erregung der zweiten und dritten Wicklung liefert, bezogen auf die angezeigte letzte Schrittstellung des Rotors. Bei dieser zweiphasigen Betriebsart im hohen oder zweiten Geschwindigkeitsbereich ist die Voreilung der erregten Wicklungen größer als im niederen oder ersten Geschwindigkeitsbereich. Im Hochgeschwindigkeitsbereich führt der Rotor bei jedem Erregungsimpuls jeweils zwei und einen halben Schritt aus, dadurch beschleunigt er sich weiter bis zu einer Grenzgeschwin-

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digkeit von etwa 3000 Schritten/sec. Die obere Geschwindigkeitsgrenze ist dadurch gegeben, daß die Bewegungszeit des Rotors zur Ausführung der 2V2 Schritte in einem Taktzyklus etwa gleich der Zeit ist, die durch die Zeitkonstante der Erregerwicklungen, die Hysterese, die Gegen-EM K und andere Trägheitseinflüsse sich ergibt.

Läuft der Schrittmotor im Schnellgang in seinem hohen Geschwindigkeitsbereich und soll der Rotor schnell aus diesem über die niedere Geschwindigkeitsstufe durch Bremsung bzw. Verzögerung seiner Geschwindigkeit ohne Pendelbewegung in seine Zielstellung geführt werden, dann erfolgt dieser Bremsvorgang in einphasiger Betriebsart, wobei die Wicklungen einzeln erregt werden. Der Umsetzer empfängt dabei ein entsprechendes Kommandosignal und vom »Letzter-Schritt«-Speicher wieder die zweiten Stellungssignale, die jeweils die zuletzt abgefühlte Rotor-Schrittstellung angeben. Die dadurch vom Umsetzer gelieferten Steuersignale bewirken, daß bezogen auf die letzte abgefühlte Rotorstellung in Drehrichtung gesehen, nur eine Wicklung, und zwar die der Rotorstellung unmittelbar benachbarte Wicklung erregt wird. Eine derartige einphasige Wicklungserregung bewirkt eine Verzögerung des Rotors durch ein Magnetfeld, das der fortschreitenden Wicklungserregung um 1,5 Schritte nacheilt.

Durch diese einphasige Brems-Betriebsart im hohen Geschwindigkeitsbereich verringert sich die hohe Rotorgeschwindigkeit von 3000 Schritten/sec so lange, bis der niedere Rotor-Geschwindigkeitsbereich von 600 Schritten/sec erreicht ist. In diesem Geschwindigkeitsbereich von 600 Schritten/sec bis zum Stillstand erfolgt die Bremsung des Rotors auf übliche Weise ebenfalls im Einphasenbetrieb, bei dem jeweils nur die Wicklung erregt wird, die der momentanen Rotorstellung entspricht. Ist der Rotor durch stetige Verzögerung seiner Drehgeschwindigkeit, ohne daß eine Pendelung auftritt, in seiner Zielstellung angelangt, dann kann die Erregung der Wicklungen abgeschaltet werden, denn der Motor wird in seiner Stillstandsposition die der Zielstellung entspricht, durch magnetische Kräfte des Dauermagneten im Rotor gehalten, die jenen gleichkommen, die bei ein- oder zweiphasiger Erregung der Wicklungen auftreten. In der Zielposition ist der Luftspalt zwischen den Polzähnen des Rotors und Stators am kleinsten, da jeweils ein Polzahn des Rotors und Stators einander gegenüberstehen. Durch den magnetischen Fluß des Dauermagneten im Rotor wird dadurch selbständig die Haltekraft für den Rotor gebildet.

Die erfindungsgemäße Steuerschaltung für einen im Schnellgang betreibbaren Schrittmotor sowie ihre zweckmäßige weitere Ausgestaltung gemäß den Unteransprüchen werden nachstehend an einem Ausführungsbeispiel an Hand von Schaltbildern und Diagrammen in den F i g. 1 bis 6 ausführlicher beschrieben. In der folgenden Beschreibung wird der Einfachheit halber angenommen, daß der Stator des Motors vier Pole und vier Wicklungen hat und daß der Rotor nur einen Pol aufweist. Dieser eine Pol des Rotors kann durch die Erregung von zwei einander benachbarten Statorwicklungen auf die Mitte zwischen die benachbarten Pole der Statorwicklungen ausgerichtet werden. Wird nur eine Statorwicklung erregt, so richtet sich der Rotor auf diesen Pol aus.

Während bei dieser Beispielbeschreibung zur Erleichterung des Verständnisses der Steuerschaltung ein vereinfachter Schrittmotor als Antriebselement dient, sieht die Praxis insofern anders aus, da die dort gebräuchlichen Schrittmotoren 50polige Rotoren haben. Auf einen Fachaufsatz, in dem die Konstruktion, Charakteristik und die Wirkungsweise derartiger Schrittmotoren erläutert ist, wurde bereits in der Beschreibungseinleitung hingewiesen. In dem folgend beschriebenen Ausführungsbeispiel stellt dar

F i g. 1 ein Blockschaltbild der Steuerschaltung für einen Schrittmotor,

F i g. 2 ein Blockschaltbild des »Letzter-Schritt«-Speichers(2)aus Fig. 1,

F i g. 3 ein Impulsdiagramm in Abhängigkeit von der Rotorstellung, um den Funktionsablauf im »Letzter-Schritt«-Speicher zu verdeutlichen,

F i g. 4 eine Tabelle, aus welcher der Funktionsablauf des Umsetzers 3 aus F i g. 6 bzw. F i g. 1 zu ersehen ist,

F i g. 5 ein Diagramm der Rotorstellung bei einphasiger oder zweiphasiger Erregung der Wicklungen des Schrittmotors und

F i g. 6 ein Blockschema des Umsetzers 3 aus F i g. 1.
Die Steuerschaltung nach F i g. 1 enthält eine Einrichtung, die laufend die Stellung des Rotors ermittelt und dessen jeweils letzten ausgeführten Schritt in einem »Letzter-Schritta-Speicher 2 registriert. Außerdem ist eine als Umsetzer 3 bezeichnete Schaltungsanordnung vorgesehen, die einerseits die umgewandelten Stellungssignale (LMl- LM 4) des letzten Rotorschritts, sowie Kommandosignale (rechts US, links GUS, stop, schnell) entgegennimmt und die andererseits an ihrem Ausgang über eine Erregerschaltung 6 jeweils eine oder zwei Statorwicklungen A 1— A 2 des Schrittmotors 5 mit Stromimpulsen belegt.

Zur Erläuterung von Einzelheiten der Steuerschaltung wird zuerst auf das Blockschaltbild F i g. 1 Bezug genommen. Darin ist ein Schrittmotor 5 mit einem bekannten Schritt-Diskriminator 4 verbunden, der für jeden ausgeführten Rotorschritt entsprechende Stellungssignale (PC 1 — PC4) liefert. Diese Stellungssignale gelangen über die Leitungen 45 bis 48 zu einem »Letzter-Schritttf-Speicher 2. Der bekannte Schrittdiskriminator 4 ist vorzugsweise ein photoelektrischer Wandler mit Lichtquelle, Lochscheibe und Photozellen, wie dies bereits erklärt wurde. Die Schritt-Stellungssignale (PCX -PC4) auf den Leitungen 45 bis 48 sind somit Ausgangsimpulse dieser Photozellen. In den »Letzter-Schritt«-Speicher 2 kann über die ODER-Schaltung 8. und die Leitung 25 ein sogenanntes Schleifensignal eingegeben werden, welches bewirkt, daß sich der Steuerkreis öffnet und die Übertragung der Rotor-Stellungssignale zum Ausgang des »Letzter-Schritt«-Speichers 2 gesperrt ist, solange dieses Steuersignal vorhanden ist. Aus den Rotor-Stellungssignalen (PC 1 — PC4), die auch als erste Stellungssignale bezeichnet werden, erstellt der »Letzter-Schritt«-Speicher2 die zweiten binären Stellungssignale (LMi- LM4) welche den jeweils letzten zurückgelegten Schritt des Rotors anzeigen, auch bei laufendem Rotor. Diese zweiten binären Stellungssignale (LMX-LMA₁) gelangen über die Leitungen 26 bis 29 zum Eingang des Umsetzers 3. Dieser erhält auch über die Leitungen 16 bis 18 sogenannte Kommandosignale, welche vorwiegend vom Rechner 1 geliefert werden.

Diese Kommandosignale bestimmen die Richtung der Drehbewegung US, GUS des Rotors und den Geschwindigkeitsbereich in dem der Rotor betrieben werden soll. Ein weiterer Kommandosignal »stop« wird

über die Leitungen 19,42 und die ODER-Schaltung 7 in dem Umsetzer 3 bei Bedarf eingegeben. Dieses Stop-Signal durchläuft die ODER-Schaltung 7 und die Leitung 42 dann, wenn die Halteoperation eingeleitet wird. Basierend auf der Information über den letzten zurückgelegten Rotorschritt der durch die zweiten Steuersignale (LMX-LMA) repräsentiert wird, liefert der Umsetzer 3 über die Leitungen 49 bis 52 an die Erregerschaltung 6 Steuersignale (TAi, TA 2, TBi, TB 2). Diese Steuersignale werden über die Leitungen 49 bis 52 in die Erregerschaltung 6 eingegeben, die Treiberstufen und die die Stromversorgungsquelle enthält. Diese binären Steuersignale (TAi-TB 2) bewirken die Erregung der Statorwicklungen Ai, A 2, Bi und B 2 in einer bestimmten Kombination, so daß sich der Schrittmotor 5 entsprechend den Befehlen des Rechners 1 bewegt.

Zum weiteren Verständnis der Steuerschaltung wird auf die F i g. 5 verwiesen. Diese zeigt in vereinfachter Weise einen Teil der Drehbewegung des Rotors in geradliniger, linearer Abwicklung. Aus diesem Schrittdiagramm F i g. 5 ist zu ersehen, daß bei der bekannten üblichen zweiphasigen Erregung der Wicklungen B1 und A 1 sich der Rotor in eine Stellung bewegt, die mit 4,5° bezeichnet ist. Diese 4,5°-Stellung ist beispielhaft gewählt, und sie entspricht in der Wirklichkeit einer der Stellungen eines Rotors mit 50 Polen. Das an diesem Stellungsdiagramm erläuterte Steuerungsprinzip ist aber von der Rotorpolzahl unabhängig. Wird nun bei der genannten Rotorstellung 4,5° die Erregung an die Wicklungen A i und B 2 gelegt, so wird dadurch der Rotor im Uhrzeigersinn US angetrieben, während bei einer Erregung der Wicklungen A 2 und B1 eine Rotorbewegung im Gegenuhrzeigersinn GUS eingeleitet wird. Daraus ergibt sich, daß bei einer zweiphasigen Betriebsart, welche bei der bekannten Steuerschaltung üblich ist bei gleichzeitiger Erregung von zwei Wicklungen der Rotor veranlaßt wird, eine Stellung in der Mitte zwischen den erregten Statorwicklungen einzunehmen.

Im Gegensatz hierzu wird bei einphasiger Betriebsart nur eine Statorwicklung mit Strom erregt, so daß der Rotor sich auf diesen Statorpol unter Einhaltung des geringsten Luftspalts ausrichten wird. Steht also bei einphasiger Betriebsart und einer Erregung der Wicklung A i der Rotor in der Stellung 5,4°, dann befindet sich der Motor in einer Stop-Stellung, d. h., der Rotor steht unbeweglich. Wird hingegen die Wicklung B 2 mit Strom belegt, so entspricht dies dem Befehl US, d. h., Drehung im Uhrzeigersinn. Ein Kommandosignal GUS entspricht einer Drehung im Gegenuhrzeigersinn und bewirkt eine Erregung der Wicklung B i. Ein Kommandosignal »Schnellgang« oder einfach »schnell« bewirkt eine Erregung der Wicklung A 2.

Bei dem erfindungsgemäßen Steuerungsprinzip kommt als Betriebsverfahren sowohl ein einphasiger sowie auch ein zweiphasiger Betrieb vor. Die Rotor-Stellungsabfühlung durch den Schritt-Diskriminator 4 entspricht ebenfalls einer einphasigen Betriebsart. Dies bedeutet, daß immer in den Rotorstellungen bei 0°, 1,8°, 3,6°, 5,4° usw. ein erster Stellungsimpuls (PCi-PC4) erzeugt wird. Ist der Rotor nicht auf eine dieser Stellungen ausgerichtet, so entsteht kein erstes Stellungssignal. Das dann auf den Leitungen 45 bis 48 vorhandene Spannungspotential entspricht einem sogenannten »Dunkel-Signal« (DS).

Beim Anlauf des Motors 5 werden zu Beginn der Beschleunigung durch die Einwirkung der umgewandelten ersten Stellungssignale (PCi-PC4) in die zweiten Rotorstellungssignale (LMi-LMA) die Wicklungen Ai-B2 mit einem Vorlauf von IV₂ Schritten erregt, wie dies bereits vorstehend erläutert wurde. Eine zweiphasige Erregung ergibt normalerweise nur einen Vorlauf von einem einzigen Schritt Da aber gemäß der Erfindung die Abfühlung der Rotorstellung in einphasiger Betriebsart arbeitet, erweitert sich dadurch der

ίο Vorlauf der Wicklungserregung auf 1,5 Schritte. Angenommen, der Rotor befindet sich beispielsweise in der Stellung 5,4°, wie dies in der Fig.5 angegeben ist, dann werden im Schnellgang gleichzeitig die beiden Wicklungen B 2 und A 2 erregt, und die Erregung läuft

t5 dem Rotor um IV₂ Schritte im Uhrzeigersinn US voraus. Dadurch ergibt sich gegenüber dem bekannten Steuerungssystem ein größeres wirksames Drehmoment und demzufolge eine größere Rotorbeschleunigung als bei üblicher einphasiger Betriebsart mit einer Erregung der Wicklung B 2, bei der nur ein Vorlauf von 1 Schritt auftreten würde.

Diese zweiphasige Betriebsart der Wicklungserregung wird nun so lange beibehalten, bis sich der Rotor auf eine Geschwindigkeit von etwa 1000 Schritte/sec beschleunigt. Dieser Lauf des Motors vom Start bis zu dieser Geschwindigkeit ist dem ersten oder niedrigen Geschwindigkeitsbereich zugeordnet, für den in Abhängigkeit von der Größe der Last eine bestimmte Zeit vorgesehen ist. Nach dieser Zeit erfolgt eine Änderung wenigstens eines Kommandosignals, worauf sich der Motor weiter beschleunigt, weil die gleichzeitige Erregung von zwei Wicklungen der angezeigten Rotorstellung um 2V₂ Schritte vorauseilt. Angenommen, der Rotor befindet sich momentan wieder in der zuletzt abgefühlten Stellung bei 5,4°, dann werden in diesem Zeitpunkt gleichzeitig die beiden Wicklungen A 2 und B1 erregt. In Wirklichkeit ist allerdings der Erregungsvorlauf noch etwas größer als 2V₂ Schritte, denn das Erreichen einer Schrittstellung durch den Rotor wird bereits ein Viertelschritt vor der genauen Mittellage ermittelt. Die Vorauseilung der erregten Wicklung im zweiten oder höheren Geschwindigkeitsbereich liegt also nahe bei 2³/₄ Schritten. Der Motor beschleunigt sich dadurch in diesem Schnellgang stetig bis zur Höchst- oder Synchrongeschwindigkeit von etwa 3000 Schritten/sec.

Zur Bremsung, wenn sich der Rotor mit einer höheren Geschwindigkeit als 600 Schritte/sec dreht, wird nur eine einzige Wicklung erregt, wobei deren Erregung der bei jedem ausgeführten Rotorschritt ermittelten Rotorstellung nur um einen Schritt vorauseilt. Angenommen, die momentane Rotorstellung des sich im Uhrzeigersinn US drehenden Motors ist wiederum 5,4°, dann wird zur Bremsung die Wicklung B 2 erregt. Nähert sich der Motor im Schnellgang der unteren Geschwindigkeitsgrenze, die bei 600 Schritten/sec liegt, dann resultiert daraus ein bremsendes Drehmoment von 1V₂ Schritten, da im Zeitpunkt des Wirksamwerdens des Erregerimpulses der Rotor sich bereits in der Stellung 9,9° befindet. Diese Art der Bremsung wird fortgeführt, bis die Motorgeschwindigkeit unter 600 Schritte/sec gefallen ist. Die Bremsung ah dieser Geschwindigkeitsstufe bis Null erfolgt wie üblich in einphasiger Betriebsart, d. h„ die einem »Sfop«-Kommandosignal entsprechende Erregung wird an eine Wicklung angelegt, die der Zielstellung entspricht. Dabei wird die Wicklung, welche mit der angezeigten Rotorstellung übereinstimmt, durch Strom erregt.

Die Ruhelagen der Schrittstellungen des Rotors sind bei einphasigem Betrieb um 0,9° oder '/2 Schritt gegenüber der entsprechenden Lage bei zweiphasigem Betrieb räumlich verschoben. In der Ruhelage bei einphasigem Betrieb stehen sich die Polzähne ziemlich genau gegenüber, und es besteht der kleinstmögliche Luftspalt zwischen dem Rotor und Stator. Der Rotor wird bei einphasigem Betrieb in solch einer Ruhelage sich nicht weiterdrehen, auch wenn die Erregung der Wicklung abgeschaltet wird. Im Gegensatz dazu wird der Rotor bei zweiphasigem Betrieb, wenn der Rotor in einer vermeintlichen Ruhelage abgeschaltet wird, einen halben Schritt weiterschlüpfen und sich auf einen Gegenpol ausrichten.

Es wird nun das Blockschaltbild des »Letzter-Schritt«-Speichers 2 aus der F i g. 1 anhand des Schaltbildes Fig.2 beschrieben. Dieser Speicher 2 empfängt eingangsseitig die ersten Stellungssignale (PCX-PCA) über die Leitungen 45—48 von den Photozellen des Schrittdiskriminators 4. Vier Verstärker 60 bis 63 am Eingang des Speichers 2 bringen diese ersten Stellungssignale (PCI-PCA) des Rotors auf einen Spannungspegel wie er für die Weiterverwendung in logischen Schaltkreisen erforderlich ist. Der Spannungspegel am Ausgang eines dieser Verstärker 60 bis 63 ist niedrig, wenn die zugeordnete Öffnung in der Lochscheibe des Schrittdiskriminators 4, der mit der Motorwelle 57 verbunden ist, mit einem der vier Statorpole des Motors 5 fluchtet Steht der Rotor jedoch zwischen den Statorpolen, so ergibt sich das bereits erwähnte »Dunkel-Signal« DS. Die Bildung der verstärkten Stellungssignale (LX-L4) aus den eingegebenen ersten Stellungssignalen (PCX — PC4) des Rotors ist aus dem Impulsdiagramm der Fig.3 ersichtlich. Bei diesem Impulsdiagramm sind in der oberen Zeile die Rotorschritt-Stellungen 1, 2, 3, 4 usw. und darunter die entsprechenden Winkelgrade 0°, 1,8°, 3,6°, 7,2° angegeben. In den ersten vier Zeilen darunter sind schematisch die verstärkten Stellungssignale LX-LA aufgezeichnet, die von den Verstärkern 60 bis 63 geliefert werden. Die nächste Zeile darunter zeigt ein resultierendes Dunkelsignal »DS«, das aus den vorstehend erwähnten Stellungssignalen LX-L4 gewonnen wird. Die unteren vier Zeilen zeigen die geänderten Ausgangssignale (LMX- LM 4) des »Letzter-Schritt«-Speichers 2, welche als zweite Stellungssignale bezeichnet werden, die zum Umsetzer 3 gelangen. Da zwischen benachbarten Schritten das Dunkelsignal DS erscheint, wird im Speicher 2 ein Stellungssignal (PC X— PC4) des vorangegangenen Rotorschrittes in ein gespeichertes längeres »Letzter-Schritt«-Signal bzw. zweites Stellungssignal (LM 1 — LM 4) gewandelt. Dieses zweite Stellungssignal (LMX-LM4) steht dann für den Gebrauch in der Schaltungsanordnung des Umsetzers 3 zur Verfügung, dessen Wirkungsweise noch erklärt wird.

Im Speicher 2 wird gemäß dem Schaltbild Fig.2 jedes einzelne verstärkte Stellungssignal (L X — L 4) in einem ersten Paar bistabiler Kippschaltungen 64, 65 beispielsweise sogenannten Flip-Flops gespeichert. Ein niedriger Ausgangspegel des Verstärkers 60 wird über die Leitung 80 auf den Setzeingang der ersten Kippschaltung 64 übertragen und schaltet diesen derart, daß dessen Ausgang % einen hohen bzw. positiven Spannungspegel aufweist. Gleichzeitig gelangt der niedrige Spannungspegel vom Ausgang des Verstärkers 60 über die Leitungen 80,82 und 88 an den Setzeingang der zweiten bistabilen Kippschaltung 65, deren Ausgang 98 dadurch ebenfalls positiv wird. Ein niedriger Ausgangspegel des Verstärkers 61 wirkt über die Leitungen 83 und 84 auf den zweiten Eingang der ersten Kippschaltung 64 derart, daß auch deren Ausgang 96 wiederum einen positiven Spannungspegel aufweist. Außerdem gelangt dasselbe Ausgangssignal des Verstärkers 61 auch über die Leitungen 83, 85 und 86 zum dritten Eingang der zweiten Kippschaltung 65 und stellt diese Kippschaltung 65 zurück, so daß nun deren Rückstellausgang und die Leitung 99 einen positiven Spannungspegel aufweist. Auf ähnliche Weise bewirkt ein negativer Spannungspegel am Ausgang des Verstärkers 62 der über die Leitungen 90 und 91 an den dritten Eingang der ersten Kippschaltung 64 gelangt, daß deren Rückstellausgang und damit der Leitung 97 ein positiver Spannungspegel aufgeprägt wird. Das Ausgangssignal L 3 des Verstärkers 62 steuert aber auch über die Verbindungen 90, 92 und 93 noch die zweite Kippschaltung 65, so daß wiederum an deren Rückstellausgang und der Leitung 99 ein positiver Spannungspegel erscheint. Ähnlich verwertet wird auch das negative Ausgangssignal L 4 vom Verstärker 63, das über die Verbindungen 94, 95 und 77 den vierten Eingang der ersten Kippschaltung 64 so steuert, daß deren Rückstellausgang und Leitung 97 dadurch einen positiven Spannungspegel aufweisen. Das negative Ausgangssignal L 4 des Verstärkers 63 gelangt über die Leitungen 94, 95 und 78 auch auf den zweiten Eingang der zweiten Kippschaltung 65, so daß deren Ausgang die Leitung 98 wiederum ein positives Spannungspotential bekommen. Durch diese Schaltungsverbindungen der zwei ersten Kippschaltungen 64, 65 ist nun jede Schrittstellung des Rotors eindeutig für zwei binäre Bits darstellbar. Jede vom Diskriminator abgefühlte Schrittstellung des Rotors ist damit digital im ersten Paar der beiden Kippschaltungen 64 und 65 durch deren Schaltzustand gespeichert. Der Inhalt bzw. der Zustand des Speichers 2 wird jeweils durch die Spannungspotentiale (LMA 1, LMA 2, LMB1, LMB 2) der Ausgänge von den beiden Kippschaltungen 64, 65 repräsentiert und zwar so lange, bis ein neuer Schritt des Rotors zurückgelegt wurde. Die kurzen ersten Rotorstellungssignale (PCX-PC4) der Rotorschritte 1—4 wurden somit durch ein erstes Paar binärer Kippschaltungen 64, 65 zu den Spannungspotentialen (LMA 1 — LMB 2) verlängert.

Die verstärkten ersten Stellungssignale (LX-L4) welche die Verstärker 60—63 liefern und die aus den ersten Stellungssignalen (PCX —PC4) des Rotors hervorgehen, werden außerdem noch einer ODER-Schaltung 66 über die Leitungen 87, 89, 79, 143 zugeleitet, die daraus die Dunkelsignale DS erstellt, welche auf der Leitung 100 zur Verfügung stehen. Wenn keine Eingangsleitung der ODER-Schaltung 66 einen niedrigen, bzw. negativen Spannungspegel aufweist, gibt sie über die Leitung 100 ein positives Signal ab, siehe Impulsdiagramm F i g. 3.

Die im ersten Paar Kippschaltungen 64, 65 gespeicherten Spannungspotentiale (LMA 1 - LMB 2), die dem letzten Rotorschritt entsprechen und welche als Spannungspegel an den Ausgängen der beiden Kippschaltungen 64, 65 vorliegen, gelangen über die Leitungen 96 und 98 jeweils an einen Eingang der ersten UND-Schaltungen 67 bzw. 69 im Speicher 2. Die Rückstellsignale derselben Kippschaltungen 64, 65 dagegen werden über die Leitungen 97 und 99 jeweils ar einen Eingang der ersten UND-Schaltung 68 bzw. 7( gelegt. Am jeweils zweiten Eingang der vier erste:

UND-Schaltungen 67—70 ist eine Leitung 25 angeschlossen, die zum Rechner 1 führt. Dieser Leitung 25 wird vom Rechner 1 ein positiver Spannungspegel aufgeprägt, wenn der Motorbetrieb in geschlossener rückgekoppelter Schleife abgewickelt werden soll. Aus dem Blockschaltbild ist ersichtlich, daß beim Fehlen des positiven Signals auf der Leitung 25 die die Speicherinformation darstellenden Spannungspotentiale (LMA 1 - LMB 2) über den zuletzt ausgeführten Rotorschritt der durch die Schaltzustände der beiden Kippschaltungen 64 und 65 repräsentiert wird, nicht an die Ausgangsleitungen 106—109 der ersten UND-Schaltungen 67—70 gelangen kann. Ist der Spannungspegel auf der Leitung 25 jedoch positiv, so wird im Speicher 2 ein zweites Paar von bistabilen Kippschaltungen 71 und 72 je nach der in dem ersten Paar Kippschaltungen 64, 65 gespeicherten Stellungsinformation eingestellt dadurch, daß die Spannungspotentiale (LMAi- LMB 2) auf die Eingänge der zweiten Kippschaltungen 71,72 gelangen.

Bei einem Motorbetrieb mit geschlossener Steuerschleife, der vom Rechner 1 durch ein positives Spannungspotential der Leitung 25 eingeleitet wird, entsprechen die Spannungspegel an den Ausgängen 110, 113, 116 und 119 der zweiten Kippschaltungen 71, 72 der Stellungsinformation gemäß den Spannungspotentialen (LMAi- LMB 2), welche jeweils an den Ausgängen der ersten Kippschaltungen 64, 65 und den Leitungen 96—99 angezeigt ist.

Bei gewissen Betriebsverhältnissen, beispielsweise bei der Betriebsart »Einzelschritt« ist es erwünscht, den Betrieb in geschlossener Schleife zu beenden. Hierzu wird die Leitung 25 mit einem niedrigen bzw. negativen Spannungspotential belegt. Bei diesem Unterbrechungsfall behalten die bistabilen zweiten Kippschaltungen 71 und 72 weiterhin die gespeicherte Stellungsinformation gemäß den Spannungspotentialen (LMA 1 - LMB 2), welche der Stellung des letzten Rotorschrittes entspricht, der vor dem öffnen der Steuerschleife ausgeführt wurde. Die ersten Kippschaltungen 64 und 65 dagegen verändern weiterhin ihre Spannungspotentiale (LMA 1 — LMB 2), die laufend an die momentane Schrittstellung des Rotors angepaßt werden, die vom Schrittdiskriminator 4 abgetastet wird.

Das am Einstellausgang 110 der Kippschaltung 71 vorhandene Spannungspotential LMA 1 gelangt über die Leitungen 111 und 112 jeweils als Eingangssignal zu den beiden zweiten UND-Schaltungen 73 und 74. Der am Rückstellausgang 113 der Kippschaltung 71 auftretende Signalpegel bildet das eine Eingangssignal, das über die Leitungen 114 und 115 jeweils an einen Eingang der beiden UND-Schaltungen 75 und 76 gelangt. Der am Einstellausgang 116 der Kippschaltung 72 vorhandene Signalpegel gelangt über die Leitungen 117 und 118 als zweite Eingangsgröße an die zweiten UN D-Schalter 73 und 76. Dasselbe geschieht mit dem Signalpegel des Rückstellausganges 119 von der Kippschaltung 72 bezüglich den zweiten UND-Schaltungen 74 und 75 unter Verwendung der Leitungen 121 und 120.

Im »Letzter-Schritt«-Speicher 2 ergibt sich damit folgendes Betriebsverhalten: Sind die beiden zweiten Kippschaltungen 71 und 72 eingestellt und repräsentieren ihre Ausgänge 110, 113, 116 und 119 durch ihre binären Spannungspotentiale die Rotorstellung, so ist auch das zweite Stellungssignal LM1 der Ausgangsleitung 26 positiv und maßgeblich für den Rotorschritt 1. Ist die eine Kippschaltung 71 eingestellt und die andere Kippschaltung 72 jedoch zurückgestellt, so ist das zweite Stellungssignal LM 2 der Ausgangsleitung 27 positiv und zeigt dadurch digital eine Schrittstellung 2 an. Wenn beide Kippschaltungen 71 und 72 des zweiten Paares zurückgestellt sind, dann wird das zweite Stellungssignal LM3 der Leitung 28 positiv, das einem Rotorschritt 3 entspricht. Zuletzt sei noch ein Schaltungszustand des zweiten Kippschaltungspaares betrachtet, bei dem die Kippschaltung 71 zurückgestellt

ίο und die andere Kippschaltung 72 eingestellt ist. Dadurch ist der sich auf der Leitung 29 ergebende positive Spannungspegel als zweites Stellungssignal LM4 maßgeblich für den vierten Schritt.

In der Tabelle Fig.4 sind unter der Zeile für die maßgeblichen zweiten Stellungssignale (LMi-LM4) für die Rotorschritte des Speichers 2, welche jeweils auf den Leitungen 26—29 auf den Eingang des Umsetzers 3 gelangen, in Abhängigkeit von den Kommandosignalen des Rechners 1 die Ausgangssignale des Umsetzers 3, die als Steuersignale (TA I-TB 2) für eine bestimmte Kombination der Wicklungserregung zuständig sind, aufgeführt. Diese Tabelle F i g. 4 wird verständlicher, wenn gleichzeitig das Stellungsdiagramm der F i g. 5 berücksichtigt wird. Aus diesem Diagramm der F i g. 5 ist zu ersehen, daß bei einphasiger Betriebsart, wenn beispielsweise die letzte Betriebsstellung des Rotors bei 5,4° war, für eine Drehung des Rotors im Uhrzeigersinn US die Wicklung 52 und für eine solche im Gegenuhrzeigersinn GUS die Wicklung Bi erregt werden muß. Ähnlich verhält es sich im zweiphasigen Betrieb. Um den Schnellgang des Rotors im Uhrzeigersinn US zu erreichen, sind gleichzeitig die Wicklungen B 2 und A 2 zu erregen, während zum selben Zweck in umgekehrter Drehrichtung GUS die Wicklungen A 2 und Bi zu erregen sind.

Die F i g. 6 zeigt das Blockschaltbild vom Umsetzer 3, der aus den zweiten Stellungssignalen (LMi- LM 4) des »Letzter-Schrittw-Speichers 2 und den Kommandosignalen US, GUS, Stop, Schnell zur Erregung der Wicklungen (A 1 — B 2) in einer bestimmten Kombination die Steuersignale (TAi -TB 2) bildet. Diese Steuersignale (TA i — TB2) gelangen in eine Erregerschaltung 6, die Treiberstufen enthält und die auch die Stromversorgung einschließt. Der Umsetzer 3 verwertet die zweiten Stellungssignale (LMi- LM 4), des »Letzter-Schritta-Speichers 2 die über die Leitungen 26—29 zugeliefert werden, und die Kommandosignale t/2, t/3, /74, Stop, die dem Umsetzer 3 auf den Leitungen 16 bis 18 und 42 zugeführt werden. An die Eingänge der im Schaltbild der Fig.6 dargestellten ersten UND-Schaltungen 207 bis 218 werden die zweiten Stellungssignale (LMi-LM4) vom »Letzter-Schritt«-Speicher 2, sowie die Kommandosignale US, GUS, Stop und Schnell auf den bereits genannten Leitungen zugeführt und angelegt. Im Umsetzer 3 bestehen die internen Verbindungen:
Leitung 26 speist

UND-Schaltung 207 über Leitung 176,
UND-Schaltung 224 über 184,

<*> UND-Schaltung 215 über 194 und

UND-Schaltung 217 über 199.
Leitung 28 speist

UND-Schaltung 223 über Leitung 175,
UND-Schaltung 210 über 204 und 182,

UND-Schaltung 214 über 204 und 192, sowie

UND-Schaltung 218 über 204 und 201.
Leitung 29 speist

UND-Schaltung 208 über Leitung 178,

709 514/155

UND-Schaltung 212 über 205 und 187,
UND-Schaltung 213 über 205 und 189, sowie
UND-Schaltung 226 über 205 und 198
Leitung 27 speist

UND-Schaltung 209 über Leitung 180,
UND-Schaltung 211 über 206 und 185,
UND-Schaltung 225 über 206 und 191, sowie
UND-Schaltung 216 über 206 und 196.
Weiter sind die folgenden Verbindungen vorgesehen:
Für das Kommandosignal Gegenuhrzeigersinn GUS, das auf der Leitung 17 erscheint, zu den UND-Schaltungen 218,215,212 und 209 je über die Leitungen 202,195,188 bzw. 181,
für das Kommandosignal Uhrzeigersinn US, das auf der Leitung 16 erscheint, zu den UND-Schaltungen 217,214,211 und 208 je über 200,193,186 bzw. 179, für das Kommandosignal »Stop«, das auf der Leitung 42 erscheint, zu den UND-Schaltungen 216, 213, 210 und 207 je über die Leitungen 197, 190, 183 bzw. 177,

für das Kommandosignal »Schnell«, das auf der Leitung 18 erscheint, zu jedem der UND-Schaltungen 233-226.

Die Ausgänge der ersten UND-Schaltungen 207—209 des Umsetzers 3 sind als Dreiergruppe zusammengeschlossen und über die Leitung 219 mit der ODER-Schaltung 231 verbunden. Letztere erhält ein weiteres Eingangssignal über die Leitung 227. Das Ausgangssignal vom Ausgang der ODER-Schaltung 231 gelangt als Steuersignal TA 1 über die Leitung 49 zur Erregungsschaltung 6.

Die gleiche Verbindungskombination gilt auch für die drei UND-Schaltungen 210—212, deren Ausgänge mit der Leitung 220 verbunden sind, die zur ODER-Schaltung 232 führt, deren zweiter Eingang die Leitung 228 und an deren Ausgang das Steuersignal TA 2 auftritt, welches auf die Leitung 50 gelangt. Auch bei den drei UND-Schaltungen 213—215 sind die Ausgänge mit einer Leitung 221 verbunden und ihre Signale beeinflussen die ODER-Schaltung 233, die ein zweites Eingangssignal über die Leitung 229 erhält. Diese ODER-Schaltung 233 liefert an ihrem Ausgang das Steuersignal TB1 auf die Leitung 51. Die Ausgänge der drei UND-Schaltungen 216—218 sind ebenfalls gemeinsam über die Leitung 222 mit einem Eingang oder ODER-Schaltung 234 verbunden, deren zweiter Eingang an die Leitung 230 angeschlossen ist. Diese ODER-Schaltung 234 liefert an ihrem Ausgang das Steuersignal TB 2 auf die Leitung 52, welche ebenfalls zur Erregungsschaltung 6 führt.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise des Umsetzers 3 sei angenommen, daß gemäß dem Zustand des »Letzter-Schritt«-Speichers 2, der auf der Leitung 26 das zweite Stellungssignal LM1 aufweist, sich der Rotor momentan in der Stellung befindet, die dem entsprechenden Schritt 1 zugeordnet ist und daß eine Drehung des Rotors im Uhrzeigersinn US im Schnellgang beabsichtigt ist. In diesem Betriebsfall wird durch die Eingabe des Kommandosignals US auf der Leitung 16 und des Kommandosignals »Schnell« auf der Leitung 18 erstens die UND-Schaltung 224 aktiviert, worauf diese über die ODER-Schaltung 232 das Steuersignal TA 2 erzeugt, weil diese UND-Schaltung 224 über die Leitungen 203 und 184 von der Leitung 26 (Schritt 1) ein zweites Eingangssignal LMl erhält. Das Ausgangssignal der UND-Schaltung 224 gelangt über die ODER-Schaltung 232 auf die Leitung 50, welche das Steuersignal TA 2 zur Erregerschaltung 6 führt, wodurch die Wicklung A 2 erregt wird. Zweitens geschieht dasselbe gleichzeitig mit der Wicklung B 2, weil auch die UND-Schaltung 217 aktiviert wird, da diese von der Leitung 26 das zweite Stellungssignal LM1 über die Leitungen 203 und 199 erhält, sowie von den Leitungen 16 und 200 das Kommandosignal US empfängt. Die UND-Schaltung 217 liefert ein Ausgangssignal, das über die Leitung 222 zur ODER-Schaltung 234 gelangt und auf deren Ausgangsleitung 52 als

ίο Steuersignal TB 2 zur Verfügung steht. Das Steuersignal TB 2, das die Leitung 52 zur Erregerschaltung 6 führt, wird gleichzeitig zur Wicklung A 2 auch die Wicklung B 2 erregen. Andere nachfolgende Steuerungsvorgänge laufen völlig gleichartig ab, um den Motor im Schnellgang zu beschleunigen.

Wie aus dem Schrittdiagramm F i g. 5 ersichtlich ist, bewirkt der vorstehend beschriebene Steuerungsvorgang über die Erregerschaltung 6 gleichzeitig die zweiphasige Erregung der ersten Wicklung A 2 und der zweiten Wicklung B 2, deren resultierende Magnetfelder in bezug zu der momentanen Rotorstellung um IV2 Schritte vorauseilen. Bei dieser zweiphasigen Erregung der ersten und zweiten Wicklungen jeweils in bezug zur letzten Rotorstellung beschleunigt sich der Rotor vom Start bis zu einer vorbestimmten Geschwindigkeit, die dem ersten oder niedrigen Geschwindigkeitsbereich entspricht. Um im Schnellgang aus dem Anlauf in den höheren oder zweiten Geschwindigkeitsbereich überzugehen und unter der Voraussetzung, daß der Rotor sich in der letzten Schrittstellung 5,4° befindet und die Drehung im Uhrzeigersinn US erfolgt, müssen nun, wie aus dem Diagramm F i g. 5 hervorgeht, gleichzeitig die zweite Wicklung A 2 und die dritte Wicklung B1 erregt werden. Sobald der Rotor eine bestimmte Schrittgeschwindigkeit überschritten hat, ändert sich das vom Rechner 1 gelieferte Kommandosignal. Der Rechner 1 nimmt das Kommandosignal US zurück und gibt an dessen Stelle das Kommandosignal GUS ab, um den im Uhrzeigersinn US drehenden Motor im Schnellgang in den höheren bzw. weiten Geschwindigkeitsbereich zu beschleunigen und in diesem zu betreiben. Zur Bremsung des Motors 5, wenn sich dessen Rotor rascher als mit 600 Schritten/sec im Uhrzeigersinn US dreht, wird zunächst das Drehrichtungs-Kommandosignal US eingegeben, wodurch die Erregung der zur momentanen Rotorstellung nächstliegenden Wicklung in der Drehrichtung erfolgt. Dadurch wird der Motor veranlaßt, seine Laufgeschwindigkeit bis zu 600 Schritten/sec zu verlangsamen. Das Erscheinen des Kommandosignals »Stop>( bewirkt zunächst die Erregung der der Rotorstellung entsprechenden Statorwicklung, wodurch der Rotor in die Zielstellung ohne Pendelung einläuft. Diese Erregungsweise bei der Bremsung bewirkt, daß beim Erreichen der unteren Drehzahlgrenze über eine Bewegungsstrecke von IV2 Schritten ein Bremsdrehmoment entsteht, das wie aus dem Diagramm der F i g. 5 und der folgenden Erklärung hervorgeht, die größtmögliche Bremskraft darstellt. Wenn beispielsweise der Speicher 2 eine letzte Rotorstellung von 5,4° angibt, und die wirkliche Rotorstellung 9,9° ist, so ergibt die Erregung der Wicklung, die zur Schrittstellung 7,2° gehört, ein Bremsdrehmoment, über eine Strecke von IV2 Schritten. Werden die Wicklungen Ai und B2 gleichzeitig erregt, um ein Bremsdrehmoment um 2 Schritte zu erhalten, so wäre die Wirkung gleich 0, und die Brems- und die Beschleunigungskräfte würden sich dabei gegenseitig aufheben.
Im unteren Teil des Gesamtblockschaltbildes Fig. 1

ist eine Schrittfolge-Steuerungsschaltung 10 dargestellt, die zur Steuerung der schrittweisen Rotorbewegung während des Betriebsablaufes in aufeinanderfolgenden Einzelschritten dient und die nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist. Diese Steuerschaltung 10 für den Einzelschrittbetrieb ist eine Ergänzung zur erfindungsgemäßen Steuerschaltung für die Betriebsart

Schnellgang, und sie wirkt mit Schaltungsanordnungen aus der vorstehend beschriebenen Steuerschaltung zusammen. Eine Beschreibung der Steuerschaltung 10 für die Betriebsart »Einzelschritt« ist aufgrund der Aufgabenstellung für die vorliegende Erfindung nicht erforderlich.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Steuerschaltung für einen beim Mehrschrittbereich im Schnellgang betreibbaren Schrittmotor, der einen mindestens einpoligen, mit mehreren ersten Polzähnen versehenen Rotor und mindestens vier mit zweiten Polzähnen mit von den ersten Polzähnen abweichender Teilung versehene, jeweils Wicklungen tragende Statorpole aufweist, die in Abhängigkeit von der jeweiligen durch Kommandosignale bestimmbaren Betriebsart im Schnellgang periodisch bei geschlossenem Steuerkreis und von der durch eine erste Stellungssignale abgebenden Schrittdiskriminator erfaßten Rotorschrittstellung einzeln oder paarweise erregbar sind, indem aus den Kommando- und Stellungssignalen ein logische Schaltkreise enthaltender Umsetzer die Steuersignale zur Rotorbeschleunigung oder Bremsung bildet, die in einer Erregerschaltung Erregerstromimpulse für eine oder zwei Wicklungen erzeugt, wobei bei einem Lauf des Rotors im Schnellgang zwei Wicklungen gleichzeitig erregbar sind, deren resultierendes Magnetfeld um einige Schritte von der jeweilig erfaßten Rotorschrittstellung voreilend entfernt ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Schrittdiskriminator (4) und dem Umsetzer (3) ein im Schnellgang und bei der Bremsung in den geschlossenen Steuerkreis einbezogener »Letzter-Schritt«-Speicher (2) angeordnet ist, der jeweils das bei Vollendung eines Rotorschritts erscheinende erste Stellungssignal (PC 1 bis PC4) in ein zweites codiertes Stellungssignal (LMX bis LM4) wandelt und dieses bis zum Ende des nächsten Rotorschritts speichert, daß der Umsetzer (3) eingangsseitig nacheinander diese zweiten Stellungssignale (LM \ bis LM 4) und in einer durch die Betriebsart bestimmten Folge die Kommandosignale (US, GUS, Schnell, STOP) empfängt, daß im Umsetzer (3) jedes der zweiten Stellungssignale (LMi bis LM 4) jeweils mit demselben Kommandosignal (US, GUS, Schnell, STOP) in logischen Schaltkreisen (UND-Schaltungen 207 bis 218, ODER-Schaltungen 231 bis 234) kombiniert an den Ausgängen (49 bis 52) des Umsetzers (3) das jeweilige Steuersignal (TA 1 bis TB 2) für die Erregerschaltung (6) zur Erregung jeweils einer bestimmten Wicklung (A 1 bis B 2) oder Wicklungskombination erzeugt, wobei der Umsetzer (3) im Schnellgang in Abhängigkeit von den zugeordneten Kommandosignalen (US, GUS, Schnell) gleichzeitig zwei Steuersignale (TA 1 bis TB 2) der Erregerschaltung (6) derart zuführt, daß diese gleichzeitig die erste und zweite Wicklung (A 1 bis 52), bezogen auf die letzte Rotorschrittstellung, in Drehrichtung (US, GUS) um 1V₂ Schritte voreilend erregt, daß bei einer höheren Schrittgeschwindigkeit des Rotors der Umsetzer (3) Kommandosignale (US, GUS, Schnell, STOP) in einer anderen Kombination empfängt, so daß gleichzeitig die zweite und dritte Wicklung (A 1 bis 52) einen um 2V₂ Schritte voreilenden Erregungszustand erhalten, daß zur Bremsung des Rotors von der hohen zur niedrigen Geschwindigkeit die Erregerschaltung (6) gesteuert vom Umsetzer (3) die Wicklungen (A 1 bis 52) einphasig so erregt, daß deren Magnetfeld der wirklichen Rotorstellung in Drehrichtung um IV₂ Schritte nacheilt, und daß bei der Rotorbremsung von der niedrigen Geschwindigkeit bis zur Ankunft des Rotors in der Zielstellung nur die der Zielstellung entsprechende Wicklung (A 1 bis 5 2) erregt ist.

2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der »Letzter-Schritt«-Speicher (2) eingangs- und ausgangsseitig jeweils wenigstens ein Paar bistabile Kippschaltungen (64,65 und 71,72) als Speicherelemente enthält, die durch erste UND-Schaltungen (67 bis 70) miteinander verbunden sind, daß die vom Schrittdiskriminator (4) gelieferten und durch Verstärker (60 bis 63) verstärkten ersten Stellungssignale (L 1 bis L 4) auf die Eingänge des ersten Paares von Kippschaltungen (64, 65) gelangen und deren Schaltzustände beeinflussen, daß bei einem Motorbetrieb mit geschlossenem Steuerkreis die durch ein Schleifensignal (Leitung 25) gemeinsam aktivierten ersten UND-Schaltungen (67 bis 70) die Übertragung der Ausgangssignale (LMA 1 bis LMB 2) vom ersten Paar Kippschaltungen (64, 65) zum zweiten Paar Kippschaltungen (71, 72) ermöglichen und bei offenem Steuerkreis sperren, daß die vier Ausgänge dieses zweiten Kippschaltungspaares (71, 72) mit vier zweiten UND-Schaltungen (73 bis 76) so verbunden sind, daß jeweils ein Ausgang an einen Eingang von zwei UND-Schaltungen (73 bis 76) angeschlossen ist, wobei die Ausgänge (26 bis 29) der zweiten UND-Schaltungen (72 bis 76) die zweiten Stellungssignale (LM \ bis LM 2) liefern, so daß jeweils eines der ersten Stellungssignale (PCX bis FC4) die zugeordneten zweiten UND-Schaltungen (73 bis 76) so lange aktiviert, bis nach einem Rotorschritt das nächste erste Stellungssignal (PCX bis PC4) erscheint (F i g. 2).

3. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Umsetzer (3) dritte zu einer der Anzahl der zur Verfügung stehenden ersten Stellungssignale (PCX bis PC4) entsprechende Zahl von gleichen Gruppen zusammengefaßte und eine Matrix bildende UND-Schaltungen (207 bis 218) enthält, von denen in zyklischer Folge ein Eingang jeweils mit einem der die zweiten Stellungssignale (LMX bis LM 4) liefernden Ausgänge (Leitung 26 bis 29) des »Letzter-Schritta-Speichers (2) verbunden ist, daß an den zweiten Eingängen die Kommandosignale für Rechtslauf (US), Linkslauf (GUS) und Bremsen (STOP) anliegen, daß im Umsetzer (3) außerdem jeder Gruppe zugeordnete vierte UND-Schaltungen (223 bis 226) vorgesehen sind, an deren ersten Eingängen während der Betriebsart »Schnellgang« gemeinsam das entsprechende Kommandosignal (Schnell) anliegt und deren zweiten Eingänge jeweils mit einem Ausgang (Leitung 26 bis 29) vom »Letzter-Schritt«- Speicher (2) verbunden sind, daß die Ausgänge der dritten UND-Schaltungen (207 bis 218) einer Gruppe und jeweils der Ausgang eines der vierten UND-Schaltungen (223 bis 226) mit einer ODER-Schaltung (231 bis 234) verbunden sind und daß die Ausgänge (Leitung 49 bis 52) der ODER-Schaltungen (231 bis 234) in Abhängigkeit von den an die dritten (207 bis 218) und vierten UND-Schaltungen (231 bis 234) angelegten Kommandosignale (US, GUS, Schnell, STOP) im Schnellgang beim Motoranlauf und Lauf in beiden Schrittgeschwindigkeitsbereichen gleichzeitig zwei Steuersignale (TA X bis TB 2) zur Erregung einer Wicklungskombination und bei der Bremsung nur ein Steuersignal (TA 1 bis

TB 1) zur Erregung einer einzelnen Wicklung (A 1 bis B 2) an die Erregerschaltungen (6) liefern.

4. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Steuersignale (LMi bis LM4) in binär codierter Form die letzte Rotorschrittstellung angeben.