Eine Antriebssteuerschaltung 16 gibt Erregungsimpulse auf die Polwicklungen
des
Schrittmotors 10 und eine Logik-Schaltung 18 steuert die Anzahl der durch die Antriebssteuerschaltung
erregten Schritte, indem sie die geforderte und auszuführende Anzahl von Schritten,
die am Eingang 20 eingegeben werden, mit der Anzahl der tatsächlich vom Rotor ausgeführten
Schritte vergleicht, die auf der Leitung 22 vom Schrittzähler 14 zur Logik-Schaltung
18 gelangen. Wenn es in der Praxis erforderlich ist, die Last 12 um n Schritte zu
bewegen, wird diese Zahl n am Eingang 20 in die Logik-Schaltung 18 eingegeben. Die
Logik-Schaltung erregt die Antriebssteuerschaltung 16, die den Schrittmotor anlaufen
läßt. Der Schrittzähler 14 gibt durch die Leitung 22 eine Anzeige über die Anzahl
der vom Motor ausgeführten Schritte, und wenn diese Anzahl gleich n -2 ist, wird
durch die Logik- und die Antriebssteuerschaltung 16 die unten zu beschreibende Bremsvorrichtung
eingeschaltet. In Fig. 2 sind vier Pole N, O, S und W auf dem Stator 24 des Motors
schematisch dargestellt. Jeder Pol besteht aus einer Wicklung 26 sowie einem dazu
parallel geschalteten Zweig, der in Serie einen normal offenen Schalter 28 und
magnetische |
einen Kondensator 30 enthält. Die/&otorachse ist schematisch
in zwei Stellungen |
dargestellt, die durch die Pfeile 32 und 33' angedeutet sind. Der Rotor wird im
Uhrzeigersinn in Drehung versetzt, indem man den Pol erregt,
der im Uhrzeigersinn
unmittelbar
neben dem Pol liegt, auf dem der Rotor
am Anfang steht und in-dem
man den Pol abschaltet, der auf der anderen Seite
liegt. Die Pole
werden also in der Reihenfolge N, O, S, W, N, O usw. erregt. Wenn z. B. der Rotor
in der Stellung bei Pol N angehalten werden soll, wird das Bremsmoment normalerweise
angelegt, wenn der Rotor den Pol S (n-2) passiert hat und er in der Stellung SW
steht (s. Fig. 2 starker Pfeil). Das Bremsmoment wird erreicht, indem man den Pol
S nicht abschaltet, so daß sich bei gleichzeitig eingeschaltetem Pol W ein resultierendes
Feld in der Richtung SW ergibt, das die Umdrehungsgeschwindigkeit des Rotors verlangsamt.
Nachdem der Rotor den W-Pol passiert hat, wird der N-Pol eingeschaltet und das sich
ergebende Feld verläuft in der Richtung NW. Dieses Feld stoppt den Rotor in der
Nähe des Poles N. Wenn zu diesem Zeitpunkt die Schalter 28 geschlossen sind, wirken
die Kondensatoren 30 auf die Wicklungen des E- und W-Poles, wodurch praktisch jede
EMK gedämpft wird, die durch die Schwingungen oder durch die Pendelungen des Rotors
um den N-Pol in den E- und W-Polen erzeugt wurde. Die Schalter 28 können abhängig
von der verwendeten Steuerschaltung (Fig. 1) geschlossen werden, wenn die Bremsoperation
eingeleitet wird, d. h. wenn der Rotor den Pol n-2 passiert hat oder wenn er in
der Nähe des Poles N steht und der Pol n-1 abgeschaltet ist. Die Beschreibung der
Bremsoperation kann dahingehend zusammengefaßt werden, daß der Schrittzähler 14
eine Anzeige der vom Rotor ausgeführten Schritte liefert und wenn die Logik-Schaltung
18 erkennt, daß der Schritt n-2 ausgeführt wurde. wird der Pol n-2 nicht abgeschaltet,
bis der Pol n-1 passiert
wurde. Wenn der Rotor den Pol n-1 passiert
hat, werden die Schalter 28 geschlossen und die Kondensatoren 30 zu den Wicklungen
der Pole O und W parallelgeschaltet. Dadurch wird die Pendelung des Rotors um den
Nordpol gedämpft und die Beruhigungszeit des Rotors,wesentlich verkürzt. Obwohl
obige Beschreibung der Funktion der Erfindung sich nur auf eine schematische Ausführung
bezieht, ist es für Fachleute selbstverständlich, daß ein Rotor normalerweise mehrere
Zähne hat,' von denen jeder eineretbestimmten Pol oder einer Rasterstellung gegenübergestellt
werden kann. In der Fig. 3 sind die Polwicklungen des Schrittmotors mit I, II, III
und IV bezeichnet. Wenn auf den Rotor in seiner Zielposition ein elektromagnetisches
Haltemoment wirkt und diesen in einer gewünschten Schrittstellung festhält, dann
wird durch,die Schaltungsanordnung 200 die Kippschaltung 106 gesetzt und ein Signal
auf der Leitung 137 erzeugt, wodurch die Und-Schaltungen 140 und 142 ein Setz-Signal
erhalten. P3 und P4 sind photoelektrische Geber, die Signale abgeben, je nachdem
ob Licht durch eine(hier nicht dargestellte) auf der Rotorwelle befestigte Lochmaske
fällt odexfricht. Wenn P3 abgeschaltet ist, entsteht q kein Signal auf der Leitung
78 und folgedessen wird durch den Inverter 144 ein Signal erzeugt, das durch die
Und-Schaltung 142 gelangt. Wenn P4 erregt ist, kommt ein Signal auf der Leitung
180 durch die Und-Schaltung 140. Wenn P3 leitend und P4 nicht leitend ist, gelangt
kein Signal durch die Und-Schaltungen 140 und 142.
Je nachdem,
ob ein Signal oder ob kein Signal durch die Und-Schaltung 140 gelangt, wird entweder
die Polwicklung 1 oder die Polwicklung 2 erregt, da die Polwicklung 2 über den Inverter
112 mit der Und-Schaltung 140 gekoppelt ist. In ähnlicher Weise werden entweder.
die Polwicklung 3 oder die Polwicklung 4 erregt, je nachdem ob ein Signal oder ob
kein Signal durch die Und-Schaltung 142 gelangt, da die Polwicklung 4 über den Inverter
114 mit der Und-Schaltung 142 gekoppelt ist. Zu einem bestimmten Zeitpunkt können
somit entweder beide, oder einer, oder keiner der beiden Geber P3 und P4 erregt
sein. Dadurch sind zwei Polwicklungen auf jeden Fall immer erregt und die beiden
anderen sind nicht erregt. Die beiden erregten Polwicklungen erzeugen das Haltemoment
für den Rotor. Wenn der Rotor die gewünschte Zielposition erreicht hat, ergibt sich
durch die Einwirkung des Haltemoments eine abklingende gedämpfte Pendelung des Rotors
um seinen Zielpol. Um die Zeitdauer dieser Pendelschwingungen zu reduzieren, ist,
wie bereits erwähnt wurde, jede Polwicklung mit einem Kondensator durch einen normal
offenen Schalter verbunden. Als Schalter (28) sind zweckmäßigerweise Schutzrohrkontakte
verwendbar. In den Fig. 3 und 4 sind die Schutzrohrkontakte mit 205, 206, 207 und
208 bezeichnet und die zur Betätigung benötigten Elektromagnete mit 209, 210, 211
und 212. Die Kondensatoren sind mit 201, 202, 203 und 204 bezeichnet.
Gemäß
der Darstellung in Fig. 3 stellen die Schaltung 200, die bistabile Kippschaltung
106 und die Elektromagnete 209 bis 212 die Betätigungsvorrichtung 213 zum Schließen
der Schutzrohrkontakte 205 bis 208 dar. Das Schaltsignal zum Schließen der Kontakte
erscheint auf der Leitung 137, wenn der Rotor in oder dicht neben der gewünschten
Zielposition erscheint. Somit erregt dieses Schaltsignal alle Elektromagnete 209
bis 212 gleichzeitig, so daß alle Schutzrohrkontakte 205 bis 208 geschlossen werden
und jeden Kondensator parallel an die entsprechende Polwicklung geschaltet wird.
Jede weitere Bewegung des Rotors nach Erreichen der gewünschten Schrittpo-Bition
führt dann nur noch zu einer stark gedämpften, kurzzeitigen Pendelschwingung des
Rotors um die gewünschte Zielposition. Diese Pendelschwingung induziert einen Wechselstrom
in allen Polwicklungen und jede dieser Wicklungen kann als ein Generator betrachtet
werden, der Wechselspannung erzeugt und an den als Verbraucher in Reihe die Induktivität
der Polwicklung, die Kapazität des zugehörigen Kondensators und eine kleine Widerstandslast
geschaltet sind. Die erfundene Bremsvorrichtung kann dadurch auf optimale Dämpfung
abgestimmt werden, daß jeder der über seinen Schutzrohrkontakt mit der zugehörigen
Polwicklung verbundemKondensator einen Reihenresonanzkreis mit der Polwick-
Jung
auf der Rotorschwingungsfreguenz bildet,
so daß die Schwingungsenergie
bei jeder Schwingung des Rotors optimal absorbiert wird. Die Abstimmung auf Reihenresonanz
erfolgt durch Veränderung `einer oder von mehreren der folgenden
Größen,
z. B. Trägheit oder Last des Rotors, Kapazität des Kondensators und Induktivität
der Wicklungen. Für Fachleute sind die Abstimm-Möglichkeiten selbstverständlich.
Wenn die Motorlast veränderlich ist, sollten die Lastveränderungen im Vergleich
zum Trägheitsmoment des Rotors klein sein. Wenn der Rotor in einem derartig abgestimmten
Dämpfungskreis die gewünschte Zielposition erreicht, das Haltemoment auftritt und
die Betätigungseinrichtung die Schutzrohrkontakte schließt, liegt die Zeitkonstante
der jetzt stark gedämpften Pendelschwingung des Rotors beachtlich unter dem Wert,
den man bei geöffneten Schaltkontakten erhalten hätte. Jeder Kondensator kompensiert
die induktive Reaktanz der zugehörigen Polwicklung und läßt nur eine kleine Widerstandslast
als einzige Belastung für die in der Polwicklung induzierte Wechselspannung übrig.
Das führt zu einer optimalen Absorbierung der im Rotor enthaltenen Schwingungsenergie.
Wenn der Rotor in der gewjinschten Zielposition mit seinem Rotorpol fast oder ganz
mit einem Statorpol, der eine Polwicklung hat, ausgerichtet ist, induziert die Pendelschwingung
des Rotors um die Zielposition eine Wechselspannung mit nur kleiner Amplitude in
dieser Polwicklung. Infolgedessen hat der Anschluß des Kondensators an diese Polwicklung
eine nur geringe Auswirkung auf die Pendeldämpfung. Die beste Wirkung erreicht man
mit einem Statorpol, der zum Rotorpol relativ ausgerichtet ist, damit er ein maximales
Drehmoment auf diesen Rotorpol ausüben kann, da in diesem Fall die induzierte Wechselspannung
eine optimale Amplitude aufweist, die eine optimale Absorbierung der Schwingungsenergie
gestattet.
Im Gegensatz zum gleichzeitigen Schließen aller Schutzrohrkontakte
in Fig. 3 wird das Schließen nur der Schutzrohrkontakte bevorzugt, deren Polwicklungen
nicht erregt sind. Eine entsprechende Anordnung ist in Fig. 4 gezeigt, wo das Einschaltsignal
über die Leitung
137 auf die Und-Schaltungen 220, 221, 222 und 223 für die
Polwicklungen I, II, III und IV gegeben wird und die anderen Eingangssignale der
Und-Schaltungen über die Leitungen 225, 226, 227 und 228 mit den Enden der nicht
zugehörigen Polwicklungen verbunden sind. Diese Leitungen sind von der gemeinsamen
Leitung 230 getrennt, so daß ein Signal auf einer der erwähnten anderen Eingangsleitungen
225 bis 228 die Erregung der zu dieser Und-Schaltung gehörigen Polwicklung anzeigt.
und somit eine Erregung des dem Und-Schalter zugeordneten Elektromagneten unterbleibt.
Die Ausgangssignale der Und-Schaltungen 220 bis 223 werden mit den zugehörigen Elektromagneten
209 bis 212 verbunden, so daß ein Elektromagnet nur erregt wird, wenn das Einschaltsignal
vorliegt und die zugehörige Polwicklung nicht erregt ist. Ein Vorteil der erfundenen
Bremsvorrichtung liegt in der Anwendungsmöglichkeit sowohl in aufwendigen teuren
und in einfachen billigen Steuerungssystemen für Schrittmotoren. Bei aufwendigen
Steuerungssystemen kann die Erfindung die Schaltroutinen vereinfachen, die nicht
mehr die strengen Anforderungen für die genaue Rotorsteuerung erfüllen müssen, sie
kann aber auch in teuren und billigen Systemen einfach zur--Reduzierung der Auslaufzeit
des Rotors auf der gewünschten Stellung benutzt werden.
Steuerungssysteme
für Schrittmotoren mit nur einer erregten Polwicklung zur Erzeugung des Haltemomentes
ergeben während der gedämpften Pendelschwingung des Rotors grundsätzlich Wechselspannungen,
die dichter an der idealen Sinusform zur optimalen Absorbierung der Schwingungsenergie
liegen. Die Existenz der zweiten und höherwertigen Harmonischen reduziert die Absorbierung
der Energie. Anstelle der erwähnten Schutzrohrkontakte können als Schalter auch
andere Schaltelemente, z. B. Röhren oder Halbleiter verwendet werden.