DE1919442A1

DE1919442A1 - Kollektorloser Schrittmotor,insbesondere fuer Zaehleinrichtungen

Info

Publication number: DE1919442A1
Application number: DE19691919442
Authority: DE
Inventors: Gerhard Kroeger; Erich Rainer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-04-17
Filing date: 1969-04-17
Publication date: 1970-10-29
Also published as: GB1299493A; CH514952A; NL7005569A; US3652909A; IE33775L; IE33775B1; FR2043425A5; BE748533A; SE351089B; JPS5124684B1; AT301701B

Description

Kollektorloser Schrittmotor, insbesondere für Zähleinrichtungen

Die Erfindung bezieht sich auf einen kollektorlosen Schrittmotor, insbesondere für Zähleinrichtungen, bei dem vier räumlich um 90° versetzt angeordnete Wicklungen in Reihe mit je einem Schalttransistor liegen, die zyklisch derart angesteuert werden, daß ein zweipolig magnttisierter Dauermagnetrotor schrittweise umläuft, wobei die Schalttraneistoren der räumlich um 180° gegeneinander versetzten Wicklungen zu je einer bistabilen Kippstufe zusammengefaßt sind, die nach jedem Steuerimpuls alternierend ihren Zustand ändern.

Derartige kollektorlose Schrittmotoren haben sich in der Praxis ausgezeichnet bewährt. Sie haben allerdings den Nachteil, daß nach Ausfall und bei Wiederkehr der Versorgungsspannung die bistabilen Kippstufen keine definierte, sondern eine vom Zufall abhängige Lage einnehmen. Diese stimmt in der Regel mit der jeweilig vorhandenen Rotorstellung nicht überein, so daß bei Verwendung eines solchen Schrittmotors bei Zähleinrichtungen nach einem Ausfall der Versorgungsspannung Zählfehler auftreten können.

Diesen Nachteil zu beseitigen, ist Ziel der Erfindung. Der kollektorlose Schrittmotor gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß den Kippatufen bei Wiederkehr der Versorgungsspannung nach Auefall derselben «ine der jeweiligen Rotorstellung zugeordnete Vorzugslagt aufgeprägt wird. Vorzugsweise wird die jeweilige Rotorstellung in an sich bekannter Weise mit vom Rotor beeinflußter, um 90° räumlich versetzt angeordneten magnetfeldabhängigen Widerständen erfaßt. Eine besondere Schaltung ergibt sich dadurch, daß b#i Verwendung von Hallgeneratoren

00Ö84A/0957

* PLA 68/1328

diese mit ihren Hallelektroden im Basiskreis zweier als Differenzverstärker geschalteter Transistoren liegen, welche mit . ihrem Kollektor mit der Basis des zugehörigen Schalttransistors verbunden sind.

Anhand der Zeichnung, in der ein Ausfiihrungsbeispiel eines kollektorlosen Schrittmotors, zum Teil schematisch dargestellt ist, wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Pig. 1 die räumliche Anordnung der Standerwicklungen in bezug auf den Läufer,

Pig. 2 ein Prinzipschaitbild des Motors,

Pig. 3 die von den Hallgeneratoren abgegebene Spannung in Abhängigkeit der Läuferstellung und

Fig. 4 eine Schaltung des Schrittmotors gemäß Fig. 1 und 2 mit Gedächtnis.

Pig. 1 zeigt die räumliche Anordnung der Wicklungen in bezug auf den zweipolig magnetisierten Rotor, dessen Polarität mit N und S bezeichnet ist. Die einzelnen Wicklungen sind entsprechend dem Koordinatensystem mit X, Y, -X und -Y bezeichnet. Die einzelnen Wicklungen sind mit einem Ende untereinander verbunden und liegen am positiven Pol P der Stromquelle. Die freien Enden der Wicklungen stehen in an sich bekannter Weise mit den Kollektoren von Schalttransistoren in Verbindung, wie anhand der Fig. 4 noch näher erläutert werden wird. Ein schrittweise sich links drehendes, auf den Läufer einwirkendes Feld erhält man durch Durchflutung der einzelnen Wicklungen nach folgende® Schema:

X, Y - X,-Y.

Bei Rechtsdrehung werden die Wicklungen wie folgt angesteuert?

X, -Y, -X, Y.

Wenn jedoch der umlaufende Feldvektor durch die Durchflutung zweier Wicklungen gebildet wird, so erhält man einen sich Linka drehenden Feldvektor bei Durchflutung der einzelnen fe'ioklungen nach foLgendem Schema:

XfY, -Χ+Υ,-Χ-Υ,-ϊ+Χ.

— 2 —

0Q98U/09S7

3 · PLA 68/1328 '

Einen rechtsdrehenden Feldvektor erhält man nach folgendem Schema:

X + Ϊ, X - ϊ, -Ϊ-Ι,'-Ι+Ϊ.

Ein 90°-Schritt entsteht hierbei durch Änderung einer Komponente um 180°, was den Aufbau eines Schrittmotors mit nur zwei bistabilen Kippstufen ermöglicht. Der Schrittmotor arbeitet dadurch, dab die beiden Kippstufen alternierend nach Jedem Steuerimpuls ihren Zustand ändern.

Fig. 2 zeigt die prinzipielle Zusammenschaltung eines solchen elektronischen Schrittmotors. Mit Bx ist die den Wicklungen X und -X zugeordnete bistabile Kippstufe bezeichnet, die Vorbereitungseingänge Vx und V-x aufweist. Die entsprechende, den Wicklungen Y und -Y zugeordnete bistabile Kippstufe ist mit By bezeichnet. Wie zu ersehen ist, sind die Ausgänge der bistabilen Kippstufe By mit den Vorbereitungseingängen Vx bzw. V-x verbunden, während die Ausgänge der bistabilen Kippstufe Bx mit den Vorbereitungseingängen V-y und Vy verbunden sind. Mit L ist eine Leitung bezeichnet, die zur Ansteuerung der beidtm bistabilen Kippstufen Bx und By dient. Eine Jede dieser beiden bistabilen Kippstufen -ändert bei dynamischer Ansteuerung nur dann ihren Zustand, wenn sowohl ein Vorbereitungseingang als auch der zugehörige Ausgang auf Null geschaltet sind. Den Zustand der bistabilen Kippstufen Bx und By zeigen Pfeile an, und zwar in der Weise, daß diejenige Wicklung Stroai führt, auf die eine Pfeilspitze hin zeigt. Gemäß Pig. 2 sind dies die beiden Wicklungen X und Y. Die mit den stromführenden Wicklungen verbundenen Ausgänge der bistabilen Kippstufen Bx und By liegen daher auf Null-Potential. Gemäß der Bedingung, daB eine bistabile Kippstufe bei dynamischer Ansteuerung nur dann ihren Zustand ändert, wenn sowohl der Vorbereitungseingang als auch der entsprechende Ausgang auf Null geschaltet sind, trifft bei d«$ Ausführungebeispiel gemäß Fig. 2 für die bistabile Kippstufe Bx zu, da sowohl der Ausgang für die Wicklung X als auch d&r Vorbereitungseingang Vx auf Null-Potential liegen. Kommt nun über die Leitung L ein Steuerimpuls, so wird die bistabile Kippstufe Bx umgeschaltet, was zur Folge hat, daß die Wicklung · X stromlos wird und die Wicklung -X nunmehr Strom führt. Der

009844/0957

U PLA 68/1328

Rotor wird also einen 90°-Schritt entgegen dem Uhrzeigersinn ausführen, so daß er nunmehr eine räumliche Lage von 135° gemäß Mg. 1 einnehmen wird. Da nunmehr der mit der Wicklung -X verbundene. Ausgang der bistabilen Kippstufe Bx auf BTuIl-Potential liegt, fuhrt auch der Vorbereitungseingang Yy der bi< stabilen Kippstufe By Mull-Potential, und da auch am entsprechenden Ausgang dieser Stufe lull-Potential liegt, wird beim nächsten Steuerimpuls die bistabile Kippstufe By ihren Zustand ändern. Demzufolge werden dann, die Wicklungen -X umd Y durchflutet, was eine neuerliche schrittweise Bewegung das E@t©r© um 90° entgegen dem ührzeigerslaa btwirkt.

Eine Fortschaltung des Rotor® in ©&tg©|g©Eg©i@tstor Richtung kommt dann zustande, wenn die Anschluss© der Vorb©r©itimgs~ eingang© der einzelnen Stufe«, sitsinamäer vertauscht werden, und zwar in öer Weise, daB ier ©it der Y-Wicklung v@rbura.ei one Ausgaag der bistabilen Kippstufe Bj mit dem Yorbereitwagseingang V-x, der mit der »X-Wicklung verbundene Ausgang der bistabilen Kippstufe By alt dem Yorbereitungseiagang Ys₉ der mit der X-W-icklung verbundene Ausgang der bistabilen Kippstuf© Bx mit dem Yorbereitungseingang Ij und der mit der -X-Wicklung verbunden©" Ausgang der feistateilea Kippstufq Bs mit öq® Vorbareitungeeingang Y-y verbunden ist»

Fig. 4 zeigt die vollständige Schaltung gemäß PIg< > 1 und 2₉ wobei die gleichen Bezugssiffera wie suvor verwendet sind» In Reihe mit den Wicklungen I und -X liegen die Schalttransistoren T1 und T2, die zu einer-bistabilen Kippstuf© zusammengeschaltet sind. Mit R1 bis R8 sind die Widerstände und mit D5 bis D6 die Dioden dieser Kippstuf© bezeichnet. In entsprechen=- der Weise sind die Transistoren der bistabilen Kippstufe By mit T3 und T4 bezeichnet. Die Widerstände sind mit E9 bis R16 und die Dioden mit D7 und D8 beseichnet.

Zur zyklischen Anateuerung der einzelnen Sohalttransistorsn T1 bis T4 sind vier Kondensatoren C1 bis 04 vorgesehen,, di© einerseits gomeinsam Über einen Widerstand R 17 aa positiven

009844/09B7

PLA 68/1328

Pol P der Stromquelle liegen und andererseits mit dem anderen . Ende jeweils mit dem zugehörigen Vorbereitungseingang Vx, V-x, Vy bzw. V-y in Verbindung stehen. Diese Verbindungseingänge liegen einerseits über Widerstände R18 bis B21 am positiven Pol der Stromquelle und stehen andererseits über Dioden J)1 bis D4 mit den Basen der Schalttransistoren T1 bis T4 in Verbindung. Die Emitter der Transistoren T1"bis T4 liegen an der Null-Potential fuhrenden Leitung L. Mit einem Kontakt K kann das •Null-Potential der Leitung L zwecks Signalgabe an die Kondensatoren C1 bis C4 gelegt werden.

Die Wirkungsweise der Schaltung gemäß Fig. 4 ist wie folgt; Unter der Voraussetzung, daß gemäß Fig. 2 die Wicklungen X und Y Strom führen, sind die Transistoren Ti und T3 durchlässig, d.h. die mit den Wicklungen X und Y in Verbindung stehenden Ausgärige d<er bistabilen Kippstufen Bx und By liegen auf Null-Potential, welches über Widerstände R22 und R23 den Vorbereitungseingängen V-y und Vx übermittelt wird. Demzufolge können sich die Kondensatoren C1 und C4 aufladen, und zwar verläuft ein Stromfluß von der Leitung P über Widerstand R17, Kondensator C1, Widerstand R23 und Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors T3 bzw. "von der Leitung P über Widerstand R17, Kondensator C4, Widerstand R22, Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors T1. Die Transistoren T2 und T4 werden geschlossen geschalten, da das Potential an der Basis der beiden Transistoren durch einen Stromfluß über die Widerstände R4 bzw. R12, Dioden D6 bzw. D8 und Kollektor-Emitter-Strecken der Transistoren TI und T4 entsprechend herabgesetzt ist.

Wird nun zwecks Fortschaltung des Motors das Potential an den Verbindungspunkten der vier Kondensatoren durch Schließen des Kontaktes K von Plus auf Null abgesenkt, so werden die Kondensatoren Cl und C4-umgeladen, da nunmehr je ein Stromfluß von der Leitung P über die Widerstände R3 und Hb bzw. R12 und R14, Dioden DI bzw. D4, Kondensatoren C1 bzw. G4 und Leitung L erfolgt. Die negative Spannung der Kondensatoren setzt das Potential an den Basen Tl und T4 so stark herab, daß Transistor T1 schließt. Der Zustand am Transistor T4 ändert sich nicht, da

OQ88U/oY₅7 _{BAD onmAL}

ja dieser Transistor nicht stromführend ist. Am Schaltzustand der bistabilen Kippstufe By ändert sich daher nichts. Hingegen kippt die bistabile Kippstufe Bx in die andere Stellung um, ._'■""* da über die Widerstände R4 und H6 ein Basisstrom zum Transistor T2 fließen kann. Durch einen Stromfluß von P über Widerstand R3, Diode -Ob und Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors T2 -wird die Sperrung des Transistors T1 durch Herabsetzen des Basispotentials gesperrt gehalten. Es führen demgemäß die Wicklungen -X und +Y Strom, ao daß der Rotor gemäß Fig. 1 um 90° entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht wird.

Da nunmehr der Vorbereitungseingang Vy der bistabilen Kippstufe By über Widerstand R24 NullPotential erhält, lädt sich der . \ i, Kondensator C3 über die Widerstände R17, R24 und die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors T2 auf das Potential P auf. '\ Zwar wird auch der Kondensator C1 wieder umgeladen, was aber keine .Schalthandlung hervorruft.

Sobald jedoch Kontakt K erneut geschlossen wird, wird das Potential an den Verbindungspunkten der Kondensatoren C1 bis C4 soweit abgesenkt, daß eine Umladung der Kondensatoren CI und erfolgt. Pur den Kondensator C3 verläuft der Stromkreis von Leitung P über WiderständeR11 und R13, Diode D3, Widerstand RJ24 und Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors T2 zur Leitung Dadurch wird das Potential an der Basis des Transistors T3 so weit abgesenkt, daß dieser Transistor schließt und der Schalt transistor T4| geöifnet wird, da durch Schließen des vTransisto T3 der Sperr^trom für den Transistor T4 über Widerstand RI2 uid Diode D8 unterbrochen ist. Es führen nunmehr die Wicklungen -IC und -Y Strömt was einer Weiterschaltung des Rotors um 90° e gegengesetzt dem Uhrzeigersinn entspricht. AIa nächstes erhäijt.*" nun der Vorbereitungseingang V-x Null-Potential, so daß sich : ; der Kondensator 02 über R17 aufladen kann. Beim Eintreffen d&'s." nächsten Impulses bzw. Schließen des Kontaktes K wird Kondensator G2 über Widerstände R4 und R6 sowie Diode D2 umgeladen, wodurch Schalttransistor T2 gesperrt und Schalttransiator T1 geöffnet wird. Demzufolge stehen nun die Wicklungen +X und -Y unter Strom, was eine Weiterbewegung des Rotors um weitere 90

- fa -

00984A/0957

ORIGINAL INSPECTED

" PLA 68/152Ö '

■] -._■-■

im Uhrzeigersinn bewirkt. Ais nächstes wird nun wieder die bistabile" Kippstufe By umgeworfen, so daß der eingangs beschriebe-* ne Schaltzustand wieder vorhanden ist, bei dem die Wicklungen +X und +Y Strom führen.

Wenn ein solcher Schrittmotor für Zählvorgänge verwendet werden • soll, so muß auch bei Ausfall und Wiederkehr der Versorgungsspannung der Schrittmotor stets diejenige Stellung wieder einnehmen, die er bei Ausfall der Versorgungsspannung hatte. Da aber bistabile Kippstufen nach Ausfall der Stromversorgung keine definierte Lage einnehmen, kann das gewünschte Siel nur dadurch erreicht werden, daß den Kippstufen für den Fall der Wiederkehr der Stromversorgung eine der jeweiligen Rotorstellun^ entsprechende Vorzugslage aufgeprägt wird. Dies wird mit Hilfe von Hallge- -^Nratoreh Hx und Hy erreicht, die gemäß Fig.1 räumlich um 90 'wersetat angeordnet sind und vom Magnetfeld des Permanentmagnetläufers entsprechend beeinflußt werden» In Fig. 3 ist die Abhängigkeit der an die Hallgeneratoren abgegebenen Spannungen in Abhängigkeit vom Dretiwinkel dargestellt» Mit Ux is-tdie Span- nung des Hallgenerators Hx und mit Uy die Spannung des Hallgenerators Hy bezeichnet.. Wird beispielsweise die Wicklung X erregt» wobei der Punkt P positives Potentiai führt, so stellt sich der Rotor so ein, daß Ux gleich Null und Uy größer als NuIi ist. Wird nur die Wicklung Y erregt, so ist die Spannung Ux größer und die Spannung Uy gleich Null. Durch gleichgroße und gleichseitige Durchflutung der beiden Wicklungen X und Y stellt sich der Läufer auf den resultierenden Vektor ein, der bei 4b° liegt. Hierbei ist Ux größer und Uy kleiner als Null. Bei Erregung der ■Wicklungen Y und -X sind Ux- und Uy größer als Null. Bei Erregung der beiden Wicklungen -X und -Y ist die Spannung Ux kleiner und die Spannung Uy großer als Null und schließlich sind bei einer Durchflutung der beiden Wicklungen X und -Y die spannungen Ux und Uy kleiner als Null.

Daraus ersieht man, daß auch die Vorzeichen der Hallspannungen der einzelnen Systeme alternierend wechselnd, was dem Schema der eingangs? beschriebenen Schrittmotorsteuerun^ entspricht.

009844/0957

"^ "■ ■ *■ BADbRfGlNAL -*~

PLA 68/1328

Gemäß Pig. 4 steuern nun die Hallgeneratoren Hx und Hy je einen Differenzverstärker aus, der aus den beiden Transistoren T5.und T6 und T7 und T8 besteht. Die Emitter der beiden Transistoren T5 und T6 liegen über einen Widerstand R26 am positiven Pol P der Stromquelle, während die Kollektoren über Widerstände R27 und R28 mit den Basen der Transistoren T1 und T2 verbunden sind.

In entsprechender Weise liegen die Emitter der Transistoren T7 und T8 über einen gemeinsamen Widerstand R29 am positiven Pol P-der Spannungsquelle, während die Kollektoren über Widerstände R30 und R31 mit den Basen der Schalttransistoren T3 und T4 verbunden sind. Die Hallgeneratoren Hx und Hy erhalten den Steuerstrom über Widerstände R32, R33, R34, R33. Die Ausgangsströme der Differenzverstärker hängen vom Vorzeichen der Hallspannung ab. Sie beeinflussen die zugeordneten Schaltstufen derart, daß bei Wiederkehr der Versorgungsspannung die Schaltstufen in eine dem Vorzeichen der Hallspannung entsprechende Vorzugslage springen. Während des Betriebes überwiegt jedoch die normale Motorsteuerung.

Der erfindungsgemäße Gedanke ist an keine bestimmte Steuerungsart des Schrittmotors gebunden. Auch spielt die Anzahl der Wicklungen keine Rolle.

3 Patentansprüche

4 Figuren

QQ98U/0957

Claims

PLA 68/1528 Patentansprüche

1. Kollektorloser Schrittmotor, insbesondere für Zähleinrichtungen, bei dem vier räumlich um 90 versetzt angeordnete Wicklungen in Reihe mit je einem Schalttransistor liegen, die zyklisch derart angesteuert werden, daß ein zweipolig magnetisierter Dauermagnetrotor schrittweise umläuft, wobei die Schalttransistoren der räumlich um 180° gegeneinander versetzten Wicklungen zu je einer bistabilen Kippstufe zusammengefaßt sind, die nach jedem Steuerimpuls alternierend ihren Zustand ändern, dadurch gekennzeichnet, daß den Kippstufen bei Wiederkehr der Versorgungsspannung nach Ausfall derselben eine der jeweiligen Rotorstellung zugeordnete Vorzugslage aufgeprägt wird.

2. Schrittmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Rotorstellung in an sich bekannter Weise mit vom Rotor beeinflußten, um 90° räumlich versetzt angeordnei magnetfeldabhängigen Widerständen erfaßt ist.

Schrittmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Hallgeneratoren (Hx, Hy) diese mit ihren Hallelektroden im Basiskreis zweier als Differenzverstärker geschalteter Transistoren (T5, T6 bzw. T7, T8) liegen, welche mit ihrem Kollektor mit der Basis des zugehörigen Schalttransistors (Tl, T2, T3, T4) verbunden sind.

Q098U/0957