DE1816357B2 - Steuerungssystem zum anlauf und zum betrieb eines schrittmotors mit konstanter geschwindigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Steuerungssystem ίο zum Anlauf und zum Betrieb eines Schrittmotors mit konstanter Geschwindigkeit, enthaltend eine Wicklungsfolge- und Treiberschaltung, die zur Lieferung der Erregerimpulse an die Erregerwicklung anschahbar ist, eine einen mit dem Motor gekuppelten Impulsgeber is enthaltende Rückkopplungseinrichtung, die drehzahlproportionale Rückkopplungssignale liefert, <ius denen erste Steuersignale abgeleitet sind, eine Oszillatoreinrichtung, die einer vorbestimmten Rotor-Betriebsgeschwindigkeit entsprechende zweite Steuersignale er-

zeugt, eine Vergleichseinrichtung, die die Phasenabweichung zwischen den Rückkopplungssignalen und den zweiten Steuersignalen feststellt, eine aus logischen Schaltelementen aufgebaute Schalteinrichtung mit je einem der Anlaufphase und der Betriebsphase des

Motors zugeordneten Schaltzustand, wobei der der Anlaufphase zugeordnete Schaltzustand bei von der Vergleichseinrichtung festgestellter Phasenabweichung die Lieferung der ersten Steuersignale an die Wicklungsfolge- und Treiberschaltung unter Sperrung der

zweiten Steuersignale und der dem Betriebslauf zugeordnete Schaltzustand bei von der Vergleichseinrichtung festgestellter Phasenübereinstimmung die Lieferung der zweiten Steuersignale an die Wicklungsfolge- und Treiberschaltung unter Sperrung der ersten Steuersignale ermöglicht.

Ein derartiges Steuerungssystem ist aus der Fachzeitschrift »Control Engineerung«, Vol. 14. Heft 18, August 1967, Seiten b9 bis 72, bekannt.
Diese Erfindung bezweckt eine Verbesserung des Steuerungssystems für einen Schrittmotor, um nach dessen schnellen Anlauf auf die Betriebsgeschwindigkeit diese in sehr enge Toleranzgrenzen konstant zu halten, um damit eine größere Genauigkeit des Antriebes zu erhalten und neue Anwendungsmöglichkeiten, insbesondere in Geräten und Anlagen der Datenverarbeitung zu erschließen.

Derartige Steuerungssysteme zum Betrieb eines Schrittmotors bewirken in der sogenannten Start- bzw. Anlaufphase eine Selbststeuerung des Motors durch Motorsteuerimpulse, die von Rückkopplungsimpulsen abgeleitet sind. Eine derartige Steuerung beim Motoranlauf bewirkt eine optimal günstige Beschleunigung und damit eine sehr kurze Anlaufzeit des Rotors bis zum Hochlauf auf seine vorbestimmte Betriebsgeschwindigkeit und des damit gekoppelten Antriebselements. In dieser Anlaufphase beschleunigt sich der Motor sehr schnell, beeinflußt durch die von der Rückkopplungseinrichtung abgeleiteten ersten Steuersignale im wesentlichen selbst gesteuert, im geschlossenen Schleifenbe-

fio trieb. Bei Erreichung der vorbestimmten Betriebsgeschwindigkeit des Rotors bzw. der Last erfolgt ein Wechsel in der Steuerung des Motors, indem er nun im gleichmäßigen Betriebslauf mit einer offenen Steuerungsschleife betrieben wird. Die Motorsteuersignale werden nun von einer Schaltungseinrichtung geliefert, die einen Oszillator enthält, der in einer festen, vorbestimmten Frequenz schwingt. Von den Schwingungen dieses Oszillators werden die für die konstante

mdJSgeschwing des Rotors erforderlichen i&tea Motorsteuersignale abgeleitet. n derartiges kombiniertes Steuerungssystem, das Rfickkopplungseinrichtung und einen Oszillator ermöglicht eine sehr kurze Anlaufzeit des rs und eine ziemlich konstante Rotorgeschwindig-{ρ der anschließenden Betriebsphase des Motors, je <*^εη Belastungsfällen. Derartige Steuerungssyste-'^₁JgJf Schrittmotoren sind bei vielen Anwendungsfül- >i i_Lri J₁₁ der Steuerungstechnik, bei Regel- otter Servoein- *"--nchtongen gebräuchlich, beispielsweise als Stellantrie-. ¹Vj₁₁, _wo keine extremen Genauigkeitsaliforderungen '-bestehen. Solche, durch ein kombiniertes Steuerungssystem angetriebene Schrittmotoren werden in steigender ä- Anzahl verwendet.

|f' Durch das US-Patent 28 14 769 wurde ein Steue- $;;- jangssystem für einen durch Taktimpüse erregten %^:<SchrKonotor bekannt, das einen Oszillator enthält, der M_5-I_{0n zwe}j Rückkopplungskreisen beeinfluDt wird. In der '; ifjnzösischen Patentschrift 14 34 594 ist eine andere \ Steuerungseinrichtung für einen Schrittmotor zur Drehzahlregelung dieses Motors beschrieben. Bei diesem bekannten Steuerungssystem wird eine Rückfcopplungsspannung, die aus den Ständerwicklungen während der nicht stromführenden Perioden ausgekoppelt wird ^zur Drehzahlregelung des Motors und zur Verriegelung des Anlaufstromes verwendet.

In dem Fachaufsatz mit dem Titel »Four Ways to Use Feedback with Stepping Motors« der eingangs erwähnten Fachzeitschrift sind mehrere Steuerungssysteme mit Rückkopplungseinrichtungen zum Betrieb von Schrittmotoren beschrieben. Durch diese Veröffentlichung wurde bereits ein kombiniertes Steuerungssystem für eintn Schrittmotor bekannt, bei dem während der Anlaufphase des Motors vom Start bis /um Hochlauf auf eine gewünschte Rotorgeschwindigkeit bis zum Beginn des Betriebslaufs die Rückkopplungssignale mit den Signalen vom Oszillator hinsichtlich ihrer Phasenlage stetig miteinander verglichen werden. Bei einer Übereinstimmung der Phasen erfolgt der Übergang der Motorsteuerung vom Rückkopplungsteil, das dem Motoranlauf zugeordnet ist, zum Schaltungsteil, das den Oszillator enthält und dem Betriebslauf zugeordnet ist. Dadurch wird die weitere Einwirkung von ersten Motorstei .-rimpulsen, die von Rückkopplungssignalen abgeleitet sind, auf den Motor gesperrt. Beim Lauf des Motors in der Betriebsphase wird der Motor von Erregerimpulsen erregt, die von zweiten Motorsteuersignalen abgeleitet sind und die in einer Oszillatoreinrichtung bzw. einem Signalgenerator erzeugt werden. Während der Motoranlauf phase ist die Einwirkung der von der Oszillatoreinrichtung gelieferten zweiten Motorsteuersignale auf dem Motor blockiert. Bei einem solchen bekannten kombinierten Steuerungssystem, welches einen Oszillator oder Taktgenerator zur Lieferung der zweiten Motorsteuersignale enthält, sind im Betriebslauf des Motors die Geschwindigkeit*

Schwankungen des Rotors wesentlich kleiner als bei anderen bekannten einfachen Steuerungssystemen. Jedoch ist auch dieses bekannte Steuerungssystem für Schrittmotoren bei einer Anwendung in neuzeitigen Datenverarbeitungsgeräten und -Anlagen noch nicht voll befriedigend, weil es die dort geforderte Genauigkeit im Betriebslauf innerhalb enger Toleranzen noch nicht erfüllt und beispielsweise die durch Belastungsschwankungen oder andere Einwirkungen verursachten Abweichungen in der Drehgeschwindigkeit nicht I(iir7fmti(> ansreeelt.

Bei den neuzeitigen Datenverarbeitungsanlagen bzw. -Geräten besteht der Programmablauf aus einer Folge von elektrischen und mechanischen Funktionsschritten, die sehr stark voneinander abhängig sind. Um eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit zu erreichen, müssen die mechanischen Funktionen sehr schnell und präzise sein; hierzu zählen auch die Steuerungssysteme für Schrittmotoren. Diese werden in Datenverarbeitungsanlagen bzw. -Geräten zum Transport von Karten oder ίο bandförmigen Informationsträgern, zur Bewegung von Schreib/Leseköpfen bei plattenförmigen Speichern, oder zum Vorschub von Papier oder von Druckstangen verwendet. Bei diesen Anwendungsfällen wird ein sehr präzises und schnelles Betriebsverhalten des Antriebes erfordert, um die richtige Informationslesung bzw. Darstellung zu erhalten und um Wartezeiten der elektronischen Funktionen zu verringern.

Für den sicheren und zuverlässigen Hochgeschwindigkeitsbetrieb eines Schrittmotors ist es erforderlich, daß die von der Steuerungseinrichtung erzeugten Motorsteuersignale in einer Taktfolge zu genau bestimmten Taktzeiten erscheinen, um zu vermeiden, daß sich untolerierbare Abweichungen in der Rotorgeschwindigkeit und damit der Positionierung des Antriebselenentes ergeben. Derartige Abweichungen können beispielsweise zu Schreib- oder Auslesefehlern von gespeicherten Informationen führen oder zu einem falschen oder nicht befriedigenden Druckbild bei der Datenausgabe. Die falschen Taktzeiten von an den Motor gelieferten Steuerimpulsen können bewirken, daß der Rotor außer Tritt gerät, stehenbleibt oder seine Richtung ändert. Es ist besonders wichtig, daß bei einem kombinierten Steuerungssystem, wenn die Motorsteuerung von der Anlaufphase in die Betriebsphase des Motors wechselt, keine den Motor erregende Steuerimpulse ausfallen oder zu einer vom Sollwert abweichenden Zeit erscheinen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Steuerungssystem zum Anlauf und zum Betrieb eines Schrittmotors mit konstanter Geschwindigkeit zu schaffen, das die Forderung erfüllt, daß im Betriebslaul des Schrittmotors bei schwankender Belastung oder bei anderen Einflüssen, welche sich nachteilig auf die Genauigkeit des Antriebes auswirken können, die Rotorgeschwindigkeit des Motors innerhalb sehr enger Toleranzgrenzen konstant gehalten wird, um die vorstehend erwähnten Fehler oder Störungen zu vermeiden. Das verbesserte Steuerungssystem soll einfach im Aufbau und so ausgelegt sein, daß bei auftretenden Laständerungen oder anderer Einflüsse der Rotor schnell auf seine Soll-Geschwindigkeit zurückgeführt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Synchronisierungseinrichtung zur Korrektur der Phasenabweichung zwischen den Ruckkopplungssignalen und den zweiten Steuersignalen der mit einer vorbestimmten Frequenz frei schwingende" iVzillatoreinrichtung bei der Betriebsphase des Motors durch entsprechende Verstellung der Phasenlage der Schwin-(>o guii^en des Oszillators vorgesehen ist, die aus einer mit dem Steuereingang des Oszillators verbundenen Diskriminator besteht, dessen beide Eingänge mit je einer Torschaltung beschaltet sind, deren Eingänge mit dem Ausgang der ein von den Rückkopplungssignalen f>.s abgeleitetes Signal abgebenden Rückkopplungseinrichtung, mit den beiden Ausgängen des das zweite Steuersignal abgebenden, von dem Oszillator gesteuerten binären Ausgangstriggers und mit dem der

Betriebsphase des Motors zugeordneten, ein dem Schaltzustand entsprechendes Signal abgebenden Ausgang der Schalteinrichtung verbunden sind.

Das erfindungsgemäße Steuerungssystem zum Be trieb eines Schrittmotors ist unkompliziert und dennoch sehr wirkungsvoll, da es den Einsatz von Schrittmotoren bei sehr hohen Betriebsgeschwindigkeiten und verschieden langen Bewegungsstrecken ermöglicht. Der Rotor wird in der Anlaufphase im geschlossenen Schleifenbctrieb selbstgesteuert von rückgekoppelten Stellungsoder Geschwindigkeitssignalen, aus denen erste Motorsteuersignale abgeleitet werden, sehr schnell auf seine gewünschte Betriebsgeschwindigkeit beschleunigt. Während dieses Anlaufbetriebes des Motors wird die Phasenlage eines Oszillators, welcher im Betriebslauf des Motors die zweiten Motorsteuersignale liefert, stetig in Abhängigkeit zu den Rückkopplungssignalen bzw. den ersten Motorsteuersignalen neu eingestellt und an diese angepaßt, um sicherzustellen, daß beim Übergang des Motors vom Anlaufbetrieb in den Betriebslauf zwischen den ersten und zweiten Motorsteuersignalen kein Phasensprung auftritt. Dadurch wird ein sicherer Motoranlauf auch in der kritischen Übergangsphase gewährleistet. Hat der Motor seine Betriebsdrehzahl erreicht, was durch eine Vergleichseinrichtung festgestellt wird, dann veranlaßt diese über eine Schalteinrichtung, daß die Erregung des Motors nicht mehr durch die ersten Motorsteuersignale erfolgt, welche von den Rückkopplungssignalen abgeleitet wurden, sondern durch zweite Steuersignale, die eine Oszillatoreinrichtung oder ein Taktgenerator erzeugt.

Während dieser Zeit, in der der Motor in der Betriebsphase läuft, ist erfindungsgemäß eine mit dem Eingang des Oszillators verbundene Synchronisierungseinriehtung wirksam, die einen Diskriminator enthält, der die Phasenlage der von der Oszillatoreinrichtung abgeleiteten zweiten Steuersignale und die von der Rückkopplungseinrichtung abgeleiteten ersten Steuersignale miteinander vergleicht und der außerdem eine Phasenabweichung dadurch korrigiert, indem er die Phasenlage des Oszillators ändert. Durch die stetige Einwirkung der Rückkopplungssignale bzw. der davon abgeleiteten Steuersignale, auf die die Oszillatorcinrich- tung beeinflussende Synchronisierungseinrichtung werden kleinste Geschwindigkeitsabweichungen des Rotors vom Sollwert der Betriebsgeschwindigkeit erkannt. Die Phasenlage der zweiten Motorsteuersignale wird entsprechend dem Fehler korrigierend nachgeführt, wodurch gewährleistet wird, daß der Motor immer zum günstigsten Zeitpunkt erregt wird.

Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Phase des freischwingenden Oszillators durch die Größe einer angelegten Steuerspannung einstellbar ist und daß die Schalteinrichtung derart zusätzlich beschaltet und mit dem Oszillator verbunden ist, daß die Phasenlage des Oszillators in der Anlaufphase de^ Motors festlegbar und in der Betriebsphase zur Korrektur der Phasenlage durch den Diskriminator freigebbar ist.

Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß der Diskriminator ausgangsseitig einen Kondensator enthält der mit einer der Phasenabweichung proportionalen Ladespannung aufladbar ist. daß die den Eingängen des Diskriminators vorgeschalteten Torschaltungen erste und zweite UND-Schaltungen sind, mit Hilfe derer der Kondensator zyklisch aufnnd entladbar ist.

Ein Aüsführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Steuerungssystems zum Betrieb eines Schrittmotors wird nachstehend anhand von Schaltbildern und einem Impulsdiagramm ausführlicher beschrieben. Von den

s Zeichnungen 1 bis 4 stellt dar

Fig. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild des Steuerungssystems für einen Schrittmotor,

Fig. 2 ein ausführlicheres schcmaüsches Prinzipschaltbild des Blockschaltbildes in Fig. I des Steuerungssystems für einen Schrittmotor,

Fig. 3 das ausführliche Schaltbild des in F i g. 2 abgebildeten Schaltungsblocks 24, der die Diskriminatorschaltung und die Oszillatorschaltung enthält.

Fig.4 ein Diagramm mit mehreren Impulskurven in Abhängigkeit der Zeit, zur Darstellung der Zusammenhänge und der Arbeitsweise der Schrittmotor-Steuerschaltung gemäß den Schaltbildern. F i g. 1 und 2.

Im Blockschaltbild Fig. 1 bezeichnet die Bezugszahl 10 allgemein das Steuerungssystem für einen Schrittmotor 12, dessen in Phasenwinkeln versetzte Erregerwicklungen 12a und 126 nach dem Anlegen eines Startsignals L/R oder R/L an den Eingang der Steuerungsschaltung 10 eine Drehung des mit einer Anzahl von Zähnen versehenen Rotors 12Λ bewirken, um damit ein Antriebselement schnell und genau in die Zielstellung zu bewegen. Der Schittmotor 12 ist je nach den vorliegenden Betriebserfordernissen, eine an diese angepaßte Ausführungstype. die allgemein handelsüblich erhältlich ist.

Gemäß dem Blockschaltbild Fig. 1, werden die Wicklungen 12a und 126 des Motors 12 von einer bekannten und an die Motortype angepaßten Motortreiberschaltung 14 erregt, die über eine bekannte Wicklungsfolgeschaltung 16 gesteuert wird. Diese Wicklungsfolgeschaltung 16 enthält, wie dem Fachmann bekannt ist. eine Anordnung von binären Triggern. Mit dem Eingang der Wicklungsfolgeschaltung 16 ist ein Stop-Signalgenerator 18 verbunden, der beim geforderten Stop des Motors 12 eine sehr schnelle Bremsung des Rotors 12Λ sowie der damit verbundenen Antriebselemente bewirkt und der eine kritisch gedämpfte Laufbewegung des Rotors 12 in die Zielstellung sicherstellt. Die Wicklungen 12a, 126 des Schrittmotors 12 sind während des Anlaufs des Rotors 12Λ in der dieser vom Stillstand bis zu einer vorbestimmten Betriebsgeschwindigkeit beschleunigt wird, im geschlossenen Schleifenbetrieb von Erregerimpulsen erregt, die als erste Motorsteuersignale von Rückkopplungsimpulsen in einer Rückkopplungseinrichtung 22 abgeleitet

werden. Diese Rückkkopplungseinrichtung 22 empfängt die Rückkopplungssignale von einer bekannten, mit dem Motor 12 bzw. dem Antriebselement gekoppelten Impulsgeber 20, welcher einen Abfühlkopf 20a und eine Impulsscheibe aufweist. Die Rückkopplungssignale vom

Abfühlkopf 20a gelangen in der Rückkopplungseinrichtung 22 zunächst in einen Verstärker 30, an dessen Ausgang sie sich auf mehrere Leitungszüge verzweigen, wie dies aus dem Schaltbild F i g. 2 zu ersehen ist. Gesteuert von der Schalteinrichtung eines Vergleichers 26 im Steuerungssystem 10 ist ein Ausgang der Rückkopplungseinrichtung 22 in der Anlaufphase des Motors 12 über eine ODER-Torschaltung 48, dem Stop-Signalgenerator 18 und die Wicklungsfolgeschaltung 16 mit der Motor-Treiberschaltung 14 verbunden.

Ein mit dem zweiten Ausgang der Rückkopplungseinrichtung 22 verbundener Schaltungsblock 24 der F i g. 1 enthält eine phasenverriegelte Oszillator- und Diskriminatorschaltung 43, 42 Der im Schaltungsblock 24

enthaltene Oszillator 43 mit dem Ausgangstrigger 45 dient zur Erzeugung der zweiten Motorsteuersignale, welche auf den Motor 12 einwirken, sobald dessen Rotor 12/4 seine Nenngeschwindigkeit, die der Betriebsgeschwindigkeit entspricht, erreicht hat und die s Motor-Steuerschaltung 10 von der Anlaufphase in die Betriebsphase umschaltet. Ab diesem Zeitpunkt wird der Oszillator 43 mit dem Ausgangstrigger 45 von der erfindungsgemäßen Synehronisierungseinrichtung, die einen Diskriminator 42 enthält, beeinflußt.

Wie aus dem ausführlicherem Schaltbild Fig. 2 des Steuerungssystems 10 zu ersehen ist, enthält die Rückkopplungseinrichtung 22 einen Verstärker 30, dessen Ausgang einerseits über die Reihenschaltung eines ersten Inverters 32 und einen ersten Kondensator 33a und andererseits direkt über einen zweiten Kondensator 336 mit den beiden Eingängen einer Wechselstrom-ODER-Schaltung 34 verbunden ist, die ausgangsseitig an einen ersten Monoflop 36 angeschlossen ist. Dieser erste Monoflop 36, welcher auch unter der Bezeichnung monostabile Kippschaltung bekannt ist, hat einen Intervall in der Größenordnung 2/3 der Oszillatorfrequenz und der liefert gleichzeitig ein Eingangssignal auf jeweils einen Eingang der beiden nachgeschalteten UND-Schaltungen 38 und 40, deren Ausgänge mit dem Diskriminator 42 im Schaltungsblock 24 verbunden sind. Diese beiden UND-Schaltungen 38 und 40 wirken nur im Betriebslauf des Motors auf den Diskriminator 42 ein. um die Phasenlage des Oszillators 43 zu kor-igieren, der ein Bestandteil des im Blockschaltbild, Fig. 1, dargestellten phasenverriegelten Schaltungsblock 24 bildet. Dieser Oszillator 43 steuert in kontinuierlicher Folge einen binären Ausgangstrigger 45, der zum gleichen Schaltungsblock 24 gehört, in eine der beiden Schaltstellungen I- oder 0. Befindet sich dieser Ausgangstrigger 45 in seiner 0-Stellung, dann liefert er an seinem Ausgang die den Motor erregenden zweiten Motorsteuersignale über eine UND-Schaltung 46, fails diese aktiviert ist, an die ODER-Schaltung 48. Diese zweiten Motorsteuersignale gelangen über die aktivierte UND-Schaltung 46 und die damit verbundene ODER-Schaltung 48 über den Stop-Signalgenerator 18 und die Leitung 50 auf die Wicklungsfolgeschaltung 16 und die Motortreiberschaltung 14, wodurch die beiden Motorwicklungen 12a und 12b erregt werden. Befindet sich der binäre Ausgangstrigger 45 in seiner I-Schaltstellung, dann gelangt das Signal von seinem !-Ausgang rückgekoppelt auf den einen Eingang der UND-Schaltung 38, der sein Steuersignal an einen Eingang des Diskriminators 42 liefert Der zweite Eingang dieses Diskriminators 42 ist mit dem Ausgang der UND-Schaltung 40 verbunden. Diese UND-Schaltung 40 erhält vom 0-Ausgang des Ausgangstriggers 45, der die zweiten Motorsteuersigna-Ie erzeugt ebenfalls ein rückgekoppeltes zweites Steuersignal. Befindet sich der Ausgangstrigger 45 in seiner O-Schaltstellung, dann gelangt das von seinem 0-Ausgang gelieferte Signal außer zur UND-Schaltung 40 auch als zweites Motorsteuersignal auf einen Eingang der UND-Schaltung 46, deren Leitzustand durch ein Signal einer Schalteinrichtung gesteuert wird, weiche aus einem ersten Trigger 52 besteht. Diese Schalteinrichtung - erster Trigger 52 — ist ein Bestandteil des Vergleichers 26. und sie ist in ihrem !-Schaltzustand dem Betriebslauf des Motors zugeord- μ net, und in ihrer O-Schaltstellung ist sie der Anlaufphase des Motors zugeordnet in der Anlaufphase des Motors 12 (Start) gelangen die vom Impulsgeber 20 erzeugten und vom Verstärker 30 gelieferten Rückkopplungsimpulse als erste Steuersignale des Motors über die Leitung 49, die aktivierte UND-Schaltung 47, die ODER-Schaltung 48 über den Stop-Signalgenerator 18 auf die Leitung 50 und steuern über die Wicklungsfolgeschaltung 16 und die Motortreiberschaltung 14 die Beschleunigung des Motors 12. Die den Motoranlaui beschleunigenden Rückkopplungsimpulse gelangen als erste Steuersignale durch die UND-Schaltung 47 zur ODER-Schaltung 48, weil an dem einen Eingang der UND-Schaltung 47 bereits ein Signal vom i-Ausgang des ersten Triggers 52 anliegt. Die Schaltstellung dieses ersten binären Triggers 52 ist ein Kriterium in dem Vergleicher 26, dessen Schaltstellung entweder die Anlaufphase bzw. die Betriebsphase des Motor«; 12 bestimmt. In seiner Schaltstellung I ist er dem Motoranlauf vom Stillstand bis zu vorbestimmten Soll-Geschwindigkeit, welche dem Betriebslauf entspricht, zugeordnet. In seiner Schaltstellung 0 hingegen bestimmt er den Lauf des Motors 12 in der Betriebsphase, in welcher die zweiten Motorsteuersignale wirksam sind.

Der erste Trigger 52 ist an seinem I-Eingang mil einem zweiten Monoflop 54 verbunden, der an diesen ein Setz-Signal liefert, wenn ein Startsignal, beispielsweise von einem nicht dargestellten Endschalter, geliefert wird. Im Schaltbild, Fig.2, ist das Startsignal als ein äußeres Signal L/R oder R/L bezeichnet, das auf einem der beiden Eingänge einer ODER-Schaltung 56 anliegt, deren Ausgangsleitung einerseits zu einem zweiten Monoflop 54 und andererseits zu einem zweiten Inverter 70 führt. Der zweite Monoflop 54 verhindert, daß von außen kommende Prell- oder Störimpulse die Steuerschaltung 10 nachteilig beeinflussen. Während der Beschleunigung des Rotors 12 in seiner Anlaufphase gelangen die Rückkopplungsimpulse von der Wechselstrom-ODER-Schaltung 34 in der Rückkopplungseinrichtung 22 durch eine vom ersten Trigger 52 aktivierte UND-Schaltung 60 über die Leitung 79 zum Oszillator 43 und zum Ausgangstrigger 45 zwecks Einstellung des Oszillators 43, um dessen Schwingungen mit den Rückkopplungsimpulsen zu synchronisieren, wie dies aus dem Diagramm, Fig.4, ersichtlich ist. Beim Motoranlauf ist die UND-Schaltung 60 durch das vom 1-Ausgang des ersten Triggers 52 gelieferte Signal vorbereitet, wenn sich der erste Trigger 52 in seinem !-Schaltzustand (Motoranlauf) befindet.

Die Umschaltung des ersten Triggers 52 von dem Schaltzustand I auf 0, wobei letzterer der Motorbetriebsphase zugeordnet ist, erfolgt durch ein Ausgangssignal der aktivierten UND-Schaltung 62, die zum Vergleicher 26 gehört, und die mit dem 0-Emgang des ersten Triggers 52 verbunden ist Bei und nach dieser Umschaltung des ersten Triggers 52 wird die Übertragung der Rückkopplungssignale bzw. der erster Steuersignale zum Motor 12 gesperrt und die folgender Motorreglerstgnale werden in der Motorbetriebsphase vom Oszillator 43 bzw. dem damit verbundener Ausgangstrigger 45 über die UND-Schaltung 46 und die ODER-Schaltung 48 als zweite Motorsteuersignale geliefert Dieser Wechsel oder Obergang der Steuereinrichtung von der Anlauf- in die Betriebsphase de« Motors 12 ist aus dem Diagramm, Fi g. 4, Kurven 6 b« 10, ersichtlich. Dieser Steuerungswechsel erfolgt mit Hilfe des Vergleichers 26, der aus zwei Verriegelungs schaltern bzw. bistabilen Kippschaltungen besteht Dieser Vergleicher 26 enthält zwei Kippschaltungen, die aus dem zweiten und dritten Trigger 64, 66 und der

UND-Schaltungen 62 und 68 gebildet sind. Der Vergleicher 26 stellt als Kriterium fest, wenn der Motor

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12 im Bereich seiner Betriebsgeschwindigkeit läuft. Der zweite Trigger 64 wird jeweils durch ein Signal vom Verstärker 30 von der Rückkopplungseinrichtung 22 in seinen Schaltzustand I geschaltet und durch das vom 0-Ausgang des Ausgangstriggers 45 im Schaltungsblock 24 gelieferte zweite Steuersignal in seine O-Stellung zurückgeschaltet.

Auch der dritte Trigger 66 wird durch das gleiche zweite Steuersignal vom O-Ausgang des Ausgangstriggers 45 zurückgeschaltet. Der dritte Trigger 66 wird durch eine aktivierte UND-Schaltung 68 in den I-Zustand geschaltet, wenn an den Eingängen dieser UND-Schaltung 68 gleichzeitig ein Signal vom I-Ausgang des zweiten Triggers 64 und ein Ausgangssignal des in der Rückkopplungseinrichtung 22 befindlichen ersten Inverters 32 anliegt. Dieser zweite Inverter 32 empfängt die vom Verstärker 30 produzierten Rückkopplungssignale. Wenn der dritte Trigger 66 durch einen Rückkopplungsimpuls in seine !-Stellung geschaltet wird und nicht durch einen Impuls vom Ausgangstrigger 45 des Oszillators 43 ausgeschaltet wird, bevor der nächste Rückkopplungsimpuls erscheint, zeigt das rn, daß der Rotor 12Λ seine vorbestimmte, dem Betriebslauf zugeordnete Nenngeschwtndigkeit erreicht hat. Der erste Trigger 52 wird daraufhin durch ein Ausgangssignal der UND-Schaltung 62 in seine O-Stellung zurückgeschaltet, wodurch die beiden UND-Schaltungen 60 und 47 gesperrt werden und die beiden an den 0-Ausgang des ersten Triggers 52 angeschlossenen UND-Schaltungen 38 und 40 den Diskriminator 42 im Schaltungsblock 24 aktivieren. Die Ausgangssignale der beiden UND-Schaltungen 38 und 40 können nun auf den Diskriminator 42 einwirken, wobei die dort gebildete Fehlerspannung (Kurve It — Fig.4) wiederum den freischwingenden Oszillator 43 beeinflußt und dessen Phasenlage korrigiert. Das vom 0-Ausgang des ersten Triggers 52 gelieferte Signal liegt auch an einem Eingang der UND-Schaltung 46 an, so daß diese aktiviert wird, wenn die zweiten Motorsteuerimpulse vom Aisgangstrigger 45 des Oszillators erscheinen. Diese zweiten Motorsteuerimpulse gelangen über die als Tor dienende ODER-Schaltung 48 zur Wicklungsfolgeschaltung 16, wie dies bereits erklärt wurde.

Der Stop des Motors 12 erfolgt, wenn das Startsignal endet, d. h.. wenn kein L/R- oder /?/L-Signal mehr an der ODER-Schaltung 36 anliegt. Der mit dem Ausgang der Widerstand 77 und dem Null-Eingang des Stop-Signaltriggers 76 verbunden ist, die Rückstellung dieses Stop-Signaltriggers 76 in den O-Schaltzustand, worauf ein Signal erzeugt wird, das am Eingang P des Stop-Signalgenerators 18 anliegt. Diese Schaltungsanordnung des Widerstandes 77 und des Kondensators 78 bilden eine sogenannte Harpcr-Torschaltung.

Das Schaltbild F i g. 3 zeigt ausführlicher die im Schaltungsblock 24 enthaltenen Stromkreise des Diskriminators 42 und des Oszillators 43. Dieser Oszillator 43 kann z. B. ein transistorisierter Schwingungserzeuger sein, der beispielsweise einen Unijunction-Transistor V] enthält, welcher in Reihe liegend zwischen zwei Widerständen R1 und R 2 angeordnet ist. Der Widerstand R\ ist dabei an die positive 8.2-Volt-Spannungsquelle angeschlossen, während der andere Widerstand Rl mit Masse verbunden ist. Zwischen dem Emitter des U j-Transistors und Masse ist ein Kondensator Cl angeordnet. Das Ausgangssignal dieses Oszillators 43 gelangt über die beiden Transistoren T1 und 7~2 an den einen Steuereingang des binären Ausgangstriggers 45. Die Rück- bzw. Einstellung dieses Oszillators 43 und des Ausgangstriggers 45 erfolgt durch ein von der UND-Schaltung 60 erzeugtes Signal, das auf der Leitung 79 erscheint. Die beiden im Oszillator 43 zwischen der Leitung 79 und dem Emitter des U]-Transistors angeordneten Transistoren Tl und TA bilden einen Nebenschlußzweig zum Kondensator CI. der sich über diesen Zweig entladen kann. Durch das Potentiometer PX und die Größe des Widerstandes R 1 ist es möglich, die Frequenz des Oszillators 43 einzustellen.

Die Steuerung der Phasenlage des Oszillators 43 erfolgt gemäß dem Schaltbild, F i g. 3, durch eine über den Transistor 75 an den Oszillator 43 angelegte Spannung, die vom Ausgang des Diskriminators 42 geliefert wird. Am Ausgang des Diskriminators 42 ist em Kondensator C2 angeordnet, der aufgrund des Ausgangssignals der aktivierten UND-Schaltung 38 und gesteuert durch die Transistoren 76 und 77 über eine Diode DI aufgeladen wird. Diese UND-Schaltung 38 enthält einen Lastwiderstand RA und die Eingangsdioden D2 bis D4. Die UND-Schaltung 40, die den Lastwiderstand R 5 und die Dioden D 5 bis D 7 enthält, steuert einen Entladetransistor 78, der parallel zum Kondensator C2 angeordnet ist und zur Entladung des Kondensators C2 bei aktivierter UND-Schaltung dient. Die Eingangssignale zur Aktivierungssteuerung der beiden UND-Schaltungen 38 und 40 kommen

den Ausgang der ODER-Schaltung 48 sperrt wodurch sofort die weitere Lieferung von Motorsteuersignalen an den Motor aufhört. Gleichzeitig mit der Sperrung der

UND-Schaltungen 38 und 40 ODER-Schaltung 56 verbundener zweiter inverter 70 so einerseits über die Leitung 80 vom 0-Ausgang des erster

erzeugt zu diesem Zeitpunkt ein Ausgangssignal, das Triggers 52 und andererseits vom Monoflop 36 über die

Leitung 82. Durch die vorstehend beschriebene Diskriminatorschaltung 42 im Zusammenwirken mil den beiden UND-Schaltungen 38, 40 erfolgt eine ODER-Schaltung 48 für die Motorsteuersignale wird an 5S Prüfung bzw. Abtastung der Phasenbeziehungen zwi dem mit einem P bezeichneten Eingang des Stop-Si- sehen den Oszillator- und den Rückkopplungsimpulsei gnalgenerators 18 ein Signal angelegt, das vom sowie eine Nachführung des Oszillators 43 in dei 0-Ausgang eines Siop-Signaltiiggers 76 geliefert wird. Phasenlage in Abhängigkeit von den Betriebsverhältnis Durch das am Eingang P des Stop-Signalgenerators 18 sen, denen der Motor 12 ausgesetzt ist. anliegende Signal erzeugt dieser eine Anzahl von in 60 Ein den Motoranlauf auslösendes Startsignal wird au einer bestimmten Folge auf der Leitung erscheinender den Befehlssignalen UR oder R/L erhalten, die auf <ü< Stop-Impulse, die den Motor schnell bis zum Stillstand ODER-Schaltung 56 einwirken und an dieser eil bremsen. Das vom zweiten Inverter 70 erzeugte Ausgangssignal erzeugen. Dadurch wird der zweit Stop-Signal gelangt über einen Widerstand 77 auf den Monoflop 54 aktiviert, und er erzeugt einen in de 0-Eingang des Stop-Signaltnggers 76. Beim nächsten ⁶5 F i g. 4, Kurve 2, abgebildeten Startimpuls, der über di

folgenden Oszillatorimpuls, der vom 0-Ausgang des Ausgangstriggers 45 des Oszillators geliefert wird, steuert dieser über einen Kondensator 78, der mit dem Leitung 85, die ODER-Schaltung 48 durch de Stop-Signalgenerator 18 auf die Wicklungsfoigescha tung 16 zur Motortreiberschaltung 14 gelangt und de

Motor 12 startet. Dieser Starlimpuls vom zweiten Monoflop 54 schaltet auch den ersten Trigger 52 auf die Schaltstellung I, die dem Motoranlauf zugeordnet ist. Da durch werden die vorbereiteten UND-Schaltungen 38, 40 und 46 gesperrt und der Diskriminator 42 abgeschaltet. Wenn die UND-Schaliung 46 das O-Ausgangssignal des ersten Triggers 52 nicht mehr erhält, ist sie gesperrt und verhindert die Lieferung der vom O-Ausgang des Ausgangstriggers 45 gelieferten zweiten Steuerimpulse zum Motorantrieb an die ODER-Schaltung 48. Das vom ersten Trigger 52 an seinem I-Ausgang gelieferte Signal aktiviert zusammen mit den vom Ausgang der ODER-Schaltung 34 gelieferten Rückkopplungsimpulsen die UND-Schaltung 60, deren Ausgangssignal den Oszillator 43 gleichzeitig auf den is binären Ausgangstrigger 45 zurückstellt. Die Periode des zweiten Monoflops 54 ist genügend lang, um alle während der Motoranlaufzeit auftretenden Störimpulse zu sperren.

Die durch den Startimpuls eingeleitete Motorbewegung erzeugt über den Impulsgeber 20a ein Rückkopplungssignal, das zum Verstärker 30 gelangt. Dieses verstärkte Rückkopplungssignal gelangt dann weiter zu einer Wechselstrom-ODER-Schaltung 34, welche eingangsseitig die beiden Kondensatoren 33 enthält. Diese ODER-Schaltung 34 liefert an ihrem Ausgang von jedem Rückkopplungsimpuls zwei Signale, die jeweils aus den beiden Flanken eines Rückkopplungsimpulses abgeleitet sind. Diese Ausgangssignale der ODER-Schaltung 34 wirken einerseits auf den ersten Monoflop 36 ein, dessen Ausgangssignale einerseits zu den beiden UND-Schaltungen 38 und 40 gelangen, außerdem gelangen andererseits diese auch über den UND-Schalter 60 und die Leitung 79 zum Oszillator 43 und dessen Ausgangstrigger 43 zwecks Rückstellung derselben. Um den Schrittmotor 12 beim Start zu erregen, gelangen die Rückkopplungsimpulse vom Verstärker 30 auch als erste Steuerimpulse für den Motorantrieb über eine Leitung 49, UND-Schaltung 47, die ODER-Schaltung 48 sowie den Stop-Signalgenerator 18, über die Leitung 50 auf die Wicklungsfolge- und Treiberschaltung 16,14 des Motors 12.

Der erste Trigger 52 wird aus seinem 1-Schaltungszustand, der der Anlaufphase des Motors zugeordnet ist, in den Sch; 'tungszustand 0, der dem Lauf des Motors in der Betriebsphase zugeordnet ist, durch einen der vom Verstärker 30 gelieferten Rückkopplungsimpulse zurückgeschaltet, wenn deren Intervall kurzer ist als die Periode der vom Oszillator 43 erzeugten zweiten Steuersignale der Oszillatoreinrichiung, welche auf der so Leitung 86 vom 0-Ausgang des Ausgangstriggers 45 erscheinen. Durch diese Umschaltung wird eine weitere Einstellung des Oszillators 43 mittels vom Wechselstrom-ODER-Schalter 34 erzeugter Signale durch die Sperrung der UND-Schaltung 60 verhindert. Weil nun in der Betriebsphase des Motors die beiden UND-Schaltungen 60 und 47 sperren, können somit keine Rückkopplungsimpulse mehr an deren Ausgang erscheinen.

In der Vergleichseinrichtung 26 wird mit Hilfe der aus den zweiten und dritten Triggern 64 und 66 bestehenden Kippschaltungen der Geschwindigkeitsintervall von den Motorsteuersignalen, die aus den Rückkopplungsimpulsen und der Oszillatoreinrichtung abgeleitet werden, festgestellt. Der zweite und dritte Trigger 64 und 66 werden durch die vom 0-Ausgang des Ausgangstriggers 45 erzeugten zweiten Motorsteuersignale in die 0-Stellung geschaltet. Durch ein invertiertes Rückkopplungssignal, das der erste Inverter 32 über die UND-Schaltung 68 liefert, wird der dritte Trigger 66 von seinem 0- in den I-Zustand geschaltet, wenn der zweite Trigger 64 von seinem I-Ausgang ein Signal am anderen Eingang der UND-Schaltung 68 erzeugt. Befindet sich somit der zweite Trigger 64 in seinem I-Schaltzustand, dann ermöglicht er auch, daß der dritte Trigger 66 in seinen I-Schaltzustand schaltet, vorausgesetzt, daß dieser vorausgehend nicht durch die zweiten Steuersignale des den Oszillator enthaltenden Schaltungsblock 24 in die Null-Stellung zurückgeschaltet wurde. Ist der dritte Trigger 66 durch die Koinzidenz der Rückkopplungsimpulse in seiner l-Schaltstellung, dann erzeugt sein I-Ausgang ein Signal, das auf die UND-Schaltung 62 einwirkt und den ersten Trigger 52 zurück in seine O-Stellung schaltet. In dieser dem Betriebslauf des Motors 12 zugeordneten Schaltstellung wechselt die Steuerung und Erregung des Schrittmotors 12 von den Rückkopplungsimpulsen — deren Lieferung auf die Leitung 50, wie bereits beschrieben gesperrt wird; und die Motorsteuerung erfolgt nun durch die Ausgangsimpulse der Oszillatoreinrichtung 24, wobei die von ihr erzeugten zweiten Motorsteuerimpulse zur Wirkung gelangen, wie dies bereits vorstehend beschrieben wurde.

In der Betriebsphase des Motors 12 werden zur Steuerung der den Diskriminator 42 enthaltenden Synchronisierungseinriehtung von der Rückkopplungseinrichtung 22 Rückkopplungsimpulse über die Wechselstrom-ODER-Schaltung 34 auf dem ersten Monofiop 36 gegeben, wie ebenfalls vorausgehend beschrieben wurde. Die im ersten Monofiop 36 erzeugten Impulse gelangen zu den beiden UND-Schaltungen 38 und 40, die ihrerseits wiederum den Diskriminator 42 steuern. Der erste Monoflop 36 bestimmt die zeitliche Länge der Abtast- bzw. Prüfperiode des Diskriminators 42, der seinerseits wieder die Größe der gespeicherten Fehlerspannung in den Abtast- und Halteschaltkreisen des Diskriminators 42 bestimmt, wodurch die Oszillator-Phasenbeziehungen gesteuert werden. Da der Oszillator 43 mit der doppelten Taktfrequenz schwingt im Vergleich zu den Rückkopplungssignalen, läßt sich durch den Vergleich der Phasen der Oszillatorsignale mit den Rückkopplungssignalen eine Korrektur prc halbe Schwingung erreichen. Der Oszillator 43 is spannungsgesteuert und bezüglich der Phasenbezie hung leicht zu steuern und somit auch Für dif Synchronisierungszwecke auf einfache Weise einstell bar.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   L Steuerungssystem zum Anlauf und zum Betrieb eines Schrittmotors mit konstanter Geschwindigkeit, enthaltend eine Wicklungsfolge- und Treiberschaltung, die zur Lieferung der Lrregerimpulse an die Erregerwicklung anschaltbar ist, eine einen mit dem Motor gekuppelten Impulsgeber enthaltende Rückkopplungseinrichtung, die drehzahlproportionale Rückkopplungssignale liefert, aus denen erste Steuersignale abgeleitet sind, eine Oszillatoreinrichtung, die einer vorbestimmten Rotor-Betriebsgeschwindigkeit entsprechende zweite Steuersignale erzeugt, eine Vergleichseinrichtung, die die Phasenabweichung zwischen den Rückkopplungssignalen und den zweiten Steuersignalen feststellt, eine aus logischen Schaltelementen aufgebaute Schalteinrichtung mit je einem der Anlaufphase und der Betriebsphase des Motors zugeordneten Schaltzuitand, wobei der der Anlaufphase zugeordnete Schaltzustand bei von der Vergleichseinrichtung festgestellter Phasenabweichung die Lieferung der ersten Steuersignale an die Wicklungsfolge· und Treiberschaltung unter Sperrung der zweiten Steuersignale und der dem Betriebslauf zugeordnete Schaltzustand bei von der Vergleichseinrichtung festgestellter Phasenübereinstimmung die Lieferung der zweiten Steuersignale an die Wicklungsfolge- und Treiberschaltung unter Sperrung der ersten Steuersignale ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, daß eine Synchronisierungseinrichtung zur Korrektur der Phasenabweichung zwischen den Rückkopplungssignalen und den zweiten Steuersignalen der mit einer vorbestimmten Frequenz frei schwingenden Oszillatoreinrichtung (Oszillator 43. Ausgangstrigger 45) bei der P.etriebsphase des Motors durch entsprechende Verstellung der Phasenlage der Schwingungen des Oszillators (43) vorgesehen ist. die aus einer mit dem Steuereingang des Oszillators (43) verbundenen Diskriminator (42) besteht, desse.i beide Eingänge mit je einer Torschaltung (UND-Schaltungen 38, 40) beschaltet sind, deren Eingänge mit dem Ausgang der ein von den Rückkopplungssignalen abgeleitetes Signal abgebenden Rückkopplungseinrichtung (22), mit den beiden Ausgängen des das zweite Steuersignal abgebenden, von dem Oszillator (43) gesteuerten binären Ausgangstriggers (45) und mit dem der Betriebsphase des Motors zugeordneten, ein dem Schaltzustand entsprechendes Signal abgebenden Ausgang (0) der Schalteinrichtung (Trigger 52) verbunden sind.
2. 2. Steuerungssystem nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß die Phase des frei schwingenden Oszillalors (43) d'irch die Größe einer angelegten Steuerspannung einstellbar ist und daß die Schalteinrichtung (Trigger 52) derart zusätzlich beschaltet und mit dem Oszillaitor (43) verbunden ist. daß die Phasenlagt des Oszillators (43) in der Anlaufphase des Motors festlegbar und in der Betriebsphase zur Korrektur der Phasenlage durch den Diskriminator (42) freigebbar ist.
3. 3. Steuerungssystem nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Diskriminator (42) ausgangsseitig einen Kondensator (C2) enthält, der mil einer der Phasenabweichung proportionale Ladespannung aufladbar ist, daß die den Eingängen des Diskriminator (42) vorgeschalteten Torschaltungen erste und zweite UND Schaltungen (38, 40) sind, mit Hilfe derer der Kondensator (C2) zyklisch auf- und entladbar ist.