DE1763055A1

DE1763055A1 - Bremsvorrichtung fuer einen Elektro-Schrittmotor

Info

Publication number: DE1763055A1
Application number: DE19681763055
Authority: DE
Inventors: Wallis Christopher Norman
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1967-03-31
Filing date: 1968-03-29
Publication date: 1971-08-26

Description

Bremsvorrichtung für einen Elektro-Schrittmotor Die Erfindung bezieht sich auf eine elektromagnetische Bremsvorrichtung für einen Elektro-Schrittmotor, der eine Anzahl von Polwicklungen enthält, die der Anzahl der Schritte einer Rotorumdrehung entsprechen. Schrittmotoren werden benutzt, wenn es z. B. erforderlich ist, eine Last über eine bestimmte Strecke zu bewegen und diese dann in einer gewünschten Stellung anzuhalten. Dabei entspricht die Strecke einer bestimmten Anzahl von Schritten des Motors, welche zügig ohne Unterbrechung aufeinanderfolgen. Die Zielstellung der Last entspricht im Schrittmotor dem Zielpol, an welchem der Rotor zum Stillstand kommt. Bei Schrittmotoren ist es meistens von Bedeutung, daß der Rotor von einer S--hrittposition zu einer anderen vorbestimmten Schrittposition möglichst in kurzer Zeit bewegt wird. Diese Forderung bedingt eine relativ große Drehgeschwindigkeit und eine Bremsung des Rotors, daß dieser möglichst ohne große Pendelbewegungen an seiner Zielposition angehalten wird. Bei einem Schrittmotor muß sichergestellt werden, daß er genau bei dem gewählten Zielpol bzw. der Last-Zielposition stehen bleibt und daß die Schwingungszeit des Rotors um diese Zielposition möglichst kurz ist. Um einen präzisen Stopp des Rotors am gewählten Zielpol zu erhalten, sind verschiedene Verfahren bekanntgeworden. Es gibt sehr aufwendige Steuersysteme, bei denen komplizierte Schaltungsroutinen ablaufen und bei denen auch elektronische Rechner angewendet werden, um die Beschleunigung und die Verzögerung des Rotors und dessen präzisen Halt am Zielpol zu steuern. Es sind weiter weniger aufwendige Steuervorrichtungen bekannt, die eine einfachere Schaltungs= routine aufweisen, jedoch den Nachteil haben, daß der Rotor verhältnismäßig langsam in seine Zielposition einläuft bzw. daß der Rotor nach Ankunft an seinem Zielpol noch starke Pendelungen in beiden Drehrichtungen ausführt. Eine derartige relativ einfache elektromagnetische Bremsvorrichtung wirkt z. B. folgendermaßen: Wenn man die beiden Polwicklungen unmittelbar vor dem Pol, an dem der Motor stehen bleiben roll, erregt hält, nachdem der Motor an ihnen vorbeigelaufen ist, so wird dadurch normalerweise ein ausreichendes Bremsmoment auf den Rotor ausgeübt, so daß er im Bereich des gewünschten Poles stehen bleibt; ein gewisses Pendeln um diesen Zielpol, bevor der Rotor endgültig zur Ruhe kommt, lZißt sich jedoch nicht vermeiden. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine elektromagnetische Bremsvorrichtung für einen Elektro-Schrittmotor zu schaffen, die wirksam wird, wenn der Rotor des Schrittmotors in der gewünschten Zielstellung ankommt und die bewirkt, daß die Pendelungen des Rotors um den Zielpol weitgehendst gedämpft werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß wenigstens zu einer Polwicklung ein ParalleIz«veig geschaltet ist, der aus der Serienschaltung eines Kondensators und eines Schalters besteht und daß der Schalter oder wenigstens ein Teil der Schalter durch eine Steuereinrichtung geschlossen wird, wenn der Rotor sich in der Nähe seiner Zielposition befindet, so daß das Pendeln des Rotors uni die Zielposition vermindert wird. Gemäß der Erfindung wird durch eineLogik-Schaltung erkannt, wenn der Rotor in seinem Zielpol ankommt. Die Logik-Schaltung bewirkt dann, daß die Kondensatoren, welche parallel zu den Polwicklungen liegen, angeschaltet werden, so daß die Induktivität jeder Polwicklung und die Kapazität jedes Kondensators eine Reihenresonanz bilden. Dadurch werden die Pendelbewegungen des Rotors um seinen Zielpunkt sehr stark gedämpft. Bei offenen Schaltern, d. h. bei nicht

angeschalteten Kondensatoren ist die Pendeldämpfung wesentlich geringer,

szeit

die Pendelamplituden des Rotors sind größer und die Schwingung/der Pendelung

ist beachtlich länger.
Durch Anwendung der erfundenen Bremsvorrichtung bei einem Schrittmotor wurde bei einer Berücksichtigung der Last und einer richtigen Abstimmung der Polwicklungsinduktivität und der Kondensator-Kapazität eine Verminderung der Zeitkonstanten für die Pendelschwingungen um den Faktor 6 erreicht. Dadurch werden eine beachtlich kürzere Schwingungszeit und kleinere Pendelamplituden des Rotors erzielt.
Ein weiterer Vorzug der Erfindung ist, daß die erfundene Bremsvorrichtung sowohl bei den bereits erwähnten Steuerungssystemen mit aufwendiger, als auch mit einfacher Schaltungsroutine anwendbar ist bzw. mit diesen kombiniert werden kann.

Die Wirkungsweise der erfundenen Bremsvorrichtung, ihr Aufbau, die Einzelheiten und die zugehörige Steuerschaltung werden folgend anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 4 ausführlich beschrieben. Es zeigen: .rüv. .

Fig. l eine schematische Blockdarstellung eines Steuersystems für

einen Schrittmotor,

Fig. Z die schematische Darstellung einer Bremsvorrichtung in er-

' findungagemäßer Ausführung,

Fig. 3 den Teil einer Schaltungsanordnung des Steuerungssystems der

erfundenen Bremsvorrichtung und

Fig. 4 eine modifizierte Schaltungsanordnung des Steuerungssystems

der erfundenen Bremsvorrichtung.

Der in Fig. 1 dargestellte Schrittmotor 10 transportiert eine Last 12 um eine beliebige Anzahl von vorgegebenen Schritten weiter. Der Typ des Motors 10 ist nicht festgelegt, jedoch soll als Beispiel der Stator 200 Pole, je 50 im Norden, Osten, Süden und Westen aufweisen, und die Last 12 kann ein Mechanismus für eine Formular-Transportvorrichtung sein. Ein vollständiger Umlauf des Rotors würde somit 200 Schritten oder äquivalent 200 Zeilen auf dem Formular entsprechen. Ein Schrittzähler 14 überwacht die Bewegung des Schrittmotors 10 und gibt ein Ausgangssignal ab über die Anzahl der vom Rotor des Schrittmotors ausgeführten Schritte. Der Schrittzähler 14 kann in herkömmlicher Art, z. B. als fotoelektrischer Geber hergestellt sein und kann eine Lichtquelle und eine Fotozelle enthalten, die auf den beiden Seiten einer auf der Motorwelle befestigten Raster-Scheibe angeordnet sind, wobei die Rasterscheibe an ihrem Umfang eine Anzahl von Schlitzen entsprechend der Anzahl der möglichen Haltepositionen im Stator des Motors aufweist.

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.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Elektromagnetische Bremsvorrichtung für einen Elektro-Schrittmotor, der eine Anzahl von Polwicklungen enthält, die der Anzahl der Schritte einer Rotorumdrehung entsprechen, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zu einer Polwicklung (Fig. 2) ein Parallelzweig geschaltet ist, der aus der Serienschaltung eines Kondensators (30) und eines Schalters (28) besteht und daß der Schalter oder wenigstens ein Teil der Schalter durch eine Steuereinrichtung geschlossen wird, wenn der Rotor sich in der Nähe seiner Zielposition befindet, so daß das Pendeln des Rotors um die Zielposition vermindert wird.
2. Elektromagnetische Bremsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität einer Polwicklung und die Kapazität des im Parallelzweig liegenden Kondensators (30) so bemessen ist; das sich eine Reihenresonanz ergibt, bei der die Rotorpendelung ein Minimum ist.
3. Elektromagnetische Bremsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sieh die Zeitkonstanten der gedämpften lPendelschwingungen bei offenem und geschlossenem Schalter (28) etwa wie 6 : 1 verhalten.
4. Elektromagnetische ßremavorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung, die den dem Zielpol unmittelbar benachbarten Polwicklungen zugeordnetem Schalter (28) schließt.
5. Elektromagnetische Bremsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Schalter (28) ein Schutzrohrkontakt (201 bis 204) mit zugeordneter Erregerwicklung (209 bis 212) verwendet wird,
6. Elektromagnetische Bremsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß den Elektromagneten (209 bis 212) der Schutzrohrkontakte (I bis IV) Und-Schaltungen (220 bis 223) vorgeschaltet sind, deren Eingänge mit den Polwicklungen (I bis IV) und einer bistabilen Kippschaltung (106) verbunden sind, so daß nur die Schutzrohrkontakte geschlossen werden, die Polwicklungen zugeordnet sind, welche beim Ankommen des Rotors an seinem Zielpol nicht erregt sind.
7. Elektromagnetische Bremsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit dem Schrittmotor synchronisierter Schrittzähler (14) vorgesehen ist, dessen Zählerstellung in einer Logik-Schaltung (18) mit der vorgewählten Zielposition (n) des Rotors verglichen wird und daß bei Übereinstimmung die Logik-Schaltung ein Signal zum Schließen der Schalter (28) abgibt. B.
Elektromagnetische Bremsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Logik-Schaltung (18) einige Schritte (z. B. n-2) vor der Zielposition (n) des Rotors Signale an die letzten vor dem Zielpol liegenden Polwicklungen abgibt, die diese länger erregt halten als beim nichtgebremsten Lauf.
9. Elektromagnetische Bremsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schrittzähler (14) ein photoelektrischer Geber ist.