DE2238613A1 - Schaltung zum anfahren eines schrittmotors - Google Patents

Description

• Schaltung zum Anfahren eines Schrittmotors Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung zum anfahren eines Schrittmotors, mit einem den Schrittmotor steuernden Impulsgenerator.
• Die Verwendung von Schrittmotoren hat gegenüber der Verwendung von Synchronmotoren den Vorteil, daß ein um ein Vielfaches größerer Bereich möglicher hrbeitsgeschwindigkeiten zur Verfügung steht. Während ein Synchronmotor nur mit geringfügig gegeniiber seiner Nennfrequenz nach unten und nach oben abweichender Frequenz betrieben werden kann, kann ein Schrittmotor, ausgehend von seiner maximalen hrbeitsSrequenz, bis praktisch zur Frequenz Null betrieben worden.
• Während jedoch der Synchronmotor durch Anbringen eines Asynchronkäfigs auch bei Belastung und Speisung mit Nennfrequenz anlaufen kann, läuft ein Schrittmotor mit einer seiner maximal zulassigen Betiriebstrequenz entsprechenden Frequenz nicht an. Es muß daher ein Schrittmotor zunächst mit einer niederen Frequenz angelassen werden, worauf kontinuierlich oder in Stufen auf die höhere Betriebsfrequenz umgeschaltet werden kann0 Zu einem zu der Steuerfrequenz synchronen Antrieb, der über einen großen GeachwirAdigkeitsbereich umschaltbar sein soll, kann also ein Synchronmotor nur dann verwendet werden, wenn ihm ein entsprechend schaltbares Stufengetriebe nachgeschaltet ist. Dagegen kann ein Schrittmotor ohne Schaltgetriebe auskommen, weil seine Arbeitsgeschwindigkeit in extrem weiten Grenzen durch die Frequenz der speisenden Impulse steuerbar ist. Umständlich ist die Verwendung eines Schrittmotors jedoch dann, wenn auch Bereiche mit hohen Arbeitsgeschwindigkeiten gefordert werden, weil dann nach dem Anlaufen eine Umschaltung der Frequenz der speisenden Impulse erforderlich ist.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Anwendungsbereich für Schrittmotoren dadurch zu erweitern, daß eine selbsttätig wirkende Schaltung zum Anfahren eines Schrittmotors geschaffen wird, die ein optimales Anfahrverhalten ergibt.
• Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch, daß zwischen Impulsgenerator und Schrittmotor ein Frequenzteiler geschaltet ist, und daE- die Frequenz der dem Schrittmotor zugeführten Impulse durch Um- oder Abschalten des Frequenzteilers veränderbar ist.
• Lin Vorteil dieser Anordnung liegt darin, daß ein Festfrequenz-Impulsgenerator verwendet werden kann Es ist nicht mehr erforderlich, daß das zeit- oder frequenzbestimmende Glied des Generators kontinuierlich oder in Stufen veränderbar ist. Durch die Möglichkeit der Verwendung eines Festfrequenz-Impulsgenerators kann eine sehr hohe Genauigkeit erzielt werden, weil ein Generator mit hoher Frequenzstabilität, beispielsweise ein quarzstabilisierter Generator verwendet werden kann Dadurch wiederum läßt sich die Arbeitsgev schwindigkeit des Schritttotors mit extrem hoher Genauigkeit einhalten9 wird beispielsweise der Schrittmotor als Vorschubmotor fur eine Registriervorrichtung, beispielsweise einen X-t-Schreiber verwendet, so ist stets eine exakte zeitliche Zuordnung der anEgezeichneten Werte gegeben. Von Vorteil ist schließlich, daß durch die Möglichkeit, eine niedere Anlauffrequenz zu verwenden, mit einem relativ hohen Anlaufmoment angefahren werden kann, wodurch der Schrittmotor eine nachgeschaltete Last aus dem Ruhezustand besser "losreißen' kann0 Das nach dem Anlaufen erforderliche Betriebsdrehmoment ist häufig erheblich geringer als das Anlaufdrehmoment, so daß die Arbeitsgeschwindigkeit relativ weit erhöht kann, bis eine Grenze durch das erzielbare Drehmoment gegeben ist, das mit ansteigender Frequenz abnimmt. In einfachen Fällen genügt es, als Frequenzteiler ein Flipflop zu verwenden, um die Frequenz auf die Hälfte herabzusetzen. Soll mit höherer Frequenz gefahren werden, so wird das Flipflop überbrückt. Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung dagegen ist das Teilerverhältnis des Frequenzteilers in mehreren Stufen umschaltbar. Dadurch läßt sich ein feineres Abstufen und damit ein besseres Anpassen an die jeweils gewünschten Verhältnisse erzielen.
• Das Umschalten des Frequenzteilers kann beispielsweise manuell vorgenommen werden. Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung jedoch ist das Umschalten des Frequenzteilers nach Eintreffen eines Startimpulses durch Zeitglieder gesteuert, von denen jedes nach seinem Ablauf den Frequenzteiler umschaltet. Durch den eintreffenden Startimpuls wird also eine Gruppe von Zeitgliedern angestoßen, die unterschiedliche Zeitkonstanten haben und die nach ihrem Ablauf jeweils ein Weiterschalten des Frequenzteilers auf ein kleineres Teilerverhältnis, also auf eine größere Ausgangsfrequenz, vornehmen. Bei dieser Ausführungsform hängt das Umschalten des Frequenzteilers nicht von der erreichten Drehzahl des Schrittmotors sondern nur vom Zeitablauf der Zeitglieder ab. Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung dagegen ist das Umschalten des Frequenzteilers in Abhängig keit von der Zahl der nach dem Start dem Schrittmotor zugeführten Impulse gesteuert. Von Vorteil ist dabei, daß sich ein senr feinfühliges und bequem anpaßbares Anfahren des Schrittmotores erzielen läßt. Zum Umschalten des Frequenzteilers ist dabei beispielsweise ein Zähler verwendet. Bei einer Ausführungsform werden dem Zähler die dem Schrittmotor zugeführten Impulse ebenfalls zugeführt. Nach der vorgegebenen Zahl von Impulsen schaltet der Zähler den Frequenzteiler um. Es können jedoch auch dem Zähler von dem Schrittmotor bei seinem Lauf erzeugte Impulse zugeführt werden. Während im ersteren Fall der Frequenzteiler nach der vorgegebenen Zahl von Impulsen umgeschaltet wird, unabhängig davon, ob der Schrittmotor inzwischen tatsächlich angelaufen ist oder nicht, wird im letzteren Fall ein n Umschalten erst dann vorgenommen, wenn der Schrittmotor tatsächlich die gewünschte Zahl von Schritten durchgeführt hat.
• Die Erzeugung der Impulse kann dabei in einfacher Weise durch von dem Schrittmotor betätigte Kontakte, beispielsweise Reed-Kontakte oder auch durch optische Abtastung und dergl. erfolgen.
• Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist, vor dem Zähleingang des Zählers eine Torschaltung eingeschaltet, die die Impulse nur durchläßt, solange der Zähler eine vorgegebene Endstellung noch nicht erreicht hat.
• Dadurch vrird in vorteilhafter Weise sichergestellt, daß der Zähler seine Zählendstellung und damit der Frequenzteiler das dieser Endstellung zugeordnete Teilerverhältnis beibehält.
• in weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist dem Frequenzteiler eine Torschaltung vorgeschaltet, die von dem Impulsgenerator kommende Signale nur während des Anstehens eines "Start"-oder "Betrieb-Signales durchläßt. Durch diese Torschaltung werden nach dem Wegfall des "Betrieb"-Signales weitere Steuerimpulse von dem Schrittmotor ferngehalten, so daß der Schrittmotor so lange steht, bis die Torschaltung durch ein entsprechendes Signal wieder geöffnet wird. Es erübrigt sich dadurch ein zusätzlicher Schalter, um den Schrittmotor abzuschalten.
• Der Frequenzteiler kann in unterschiedlicher Weise ausgebildet sein. Beispielsweise kann er aus einer Flipflop-Kette bestehen. Bei bevorzugten Ausführungsfornen der Erfindung dagegen ist als Frequenzteiler ein Ringzähler verwendet. Oder es ist, wie bei einer anderen Ausführungsform vorgesehen, als Frequenzteiler ein Schieberegister verwendet. Bei beiden Ausführungsformen sind einzelne Stufen abschaltbar, beispielsweise durch Kurzschließen0 Durch die Verminderung der Stufenzahl wird das Teilerverhältnis vermindert und damit die Ausgangs frequenz erhöht.
• Bei vielen Anwendungsfällen genügt es, wenn zum Anfahren des Schrittmotores unterschiedliche Frequenzen zur Verfügung stehen. Es kann jedoch gelegentlich auch wünschenswert sein, zum Anhalten des Schrittmotores die diesem zugeführte Frequenz zu vermindern, beispielsweise um ein schrittgenaues Anhalten durch abschalten der speisenden Impulse zu erzielen. Ein schrittgenaues Anhalten ist jedoch nur möglich, falls der Schrittmotor unmittelbar vor dem Abschalten keine zu hohe Arbeitsgeschwindigkeit aufweist Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist daher zum Anhalten des Schrittmotors eine Erhöhung des Teilerverhältnisses des Frequenzteilers in analoger Weise vorgesehen. Beispielsweise schaltet der Eingang eines Stop-Signales den Frequenzteiler zurückschaltende Zeitglieder oder einen rückwärtslaufenden Zähler ein. Es ist auf dIese Weise eln Anhaltell in gleicher Weise möglich wie das Anfahren des Schrittmotores.
• Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet eines Schrittmotores mit einer erfindungsgemäßen Schaltung liegt in der Verwendung des Schrittmotores als Vorschubmotor bei Registriergeräten. Bei derartigen Geräten ist beispielsweise vorgesehen, daß eine Schreibfeldlä'nge von lFO cm während einer bestimmten Zeit durchfahren wird. Diese Zeit kann zwischen 10 sec und 32 Stunden liegen. Das Frequenzverhältnis verändert sich also in einen Verhältnis vohnmehr als 1:10 000. Es ist leicht einzusehen, daß ein Synchronmotor einen solchen Frequenzbereich auch nicht annähernd zu verarbeiten vermag, sondern eine um Größenordnungen kleinere zulässige Frequenzvariation hat.
• Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels. Es zeigen: Fig. 1 Kennlinien eines Schrittmotors,und Fig. 2 eine erfindungsgemäße Schaltung zum Anfahren eines Schrittmotors.
• Bei dem in Fig. 1 dargestellten Diagramm ist entlang der Ordinate die Belastung oder das Drehmoment aufgetragen, das der Schrittmotor erzeugt und es ist entlang der Abszisse die Frequenz oder Arbeitsgeschwindigkeit des Schrittmotors aufgetragen. Die eingezeichnete kurve 1 begrenzt zusammen mit Ordinate und Abszisse einen Bereich, innerhalb dessen der Schrittmotor eingeschaltet werden kann. Die Kurve 1 schneidet die Ordinate bei dem maximal möglichen Drehmoment des betreffenden Typs eines Schrittmotors, sie fällt dann parabelförmig ab unu schneidet die Abszisse in einem Punkt, der der maximalen Frequenz entspricht, die bei unmittelbarem Anschalten an den Schrittmotor noch ein Anlaufen des Schrittmotores ergibt, wenn dieser keinerlei Belastung aufzunehmen braucht. Es ist jedoch auch möglich, einen Schrittmotor mit hwherer Frequenz und höherer belastung zu betreiben, wQnn diese höhere Frequenz nicht sofort an den Schrittmotor gelegt wird, sondern wenn zunächst mit einer kleineren Frequenz angefahren wird, Die maximalen Belastung-Frequenz-Werto sind in Form einer Kurve 2 dargestellt. Der Bereich zwischen den Kurven 1 und 2 ist dann nutzbar, wenn der Schrittmotor bereits eine gewisse Geschwindigkeit erreicht hat und danach die hönere, einer gewünschten höheren Geschwindigkeit zugeordnete Frequenz zugeführt wird.
• Ein optimales Verhalten erheilt man dann, wenn die maximal gewünschte Arbeitsgeschwindigkeit in mehreren Stufen erreicht wird. Eine Schaltung, die dieses Betriebsverhalten ermöglicht, ist in Fig. 2 dargestellt.
• Ein Impulsgenerator 3, der eine feste Frequenz abgibt, die mindestens gleich der dem Schrittmotor höchstens zuführbaren Frequenz ist, speist seine Impulse über eine Leitung 4 an eine Torschaltung 5.
• Als Tor schaltung 5 ist ein UND-Gatter mit zwei Eingängen verwendet, einem invertierenden Eingang und einem nichtinvertierenden Eingang. An dem nichtinvertierenden Eingang ist die Leitung 4 angeschlossen.
• An dem invertierenden Eingang ist eine Steuerleitung 6 angeschlossen, auf der ein Startsignal erscheint, wenn der Schrittmotor anlaufen soll. An die Steuerleitung 6 ist ferner ein Nullstelleingang eines Zählers 7 angeschlossen. An den Ausgang der Torschaltung 5 schließt ein Frequenzteiler 8 an, der aus Schieberegistern aufgebaut ist und dessen Teilungsverhältnis durch äußere Signale umschaltbar ist. Es versteht sich, daß an Stelle eines aus Schieberegistern aufgebauten Frequenzteilers auch ein aus einem Ringzähler aufgebauter Frequenzteiler verwendet werden kann. Ebenso kann die Torschaltung 5 in den Frequenzteiler 8 integriert sein. An den oder die Steueranschlüsse des Frequenzteilers 8 ist eine Steuerleitung 9 geführt, der Signale vom Zähler 7, ggf. über eine zwischengeschaltete Dekodierschaltung 10 zugeführt worden. Je nach den an der Steuerleitung 9 eingehenden Signalen wird das Teilerverhältnis des Frequenzteilers 8 umgeschaltet und durch die Frequenz der an einer Ausgangsleitung 11 anstehenden Impulse gegenüber der Freciuenz der Impulse auf der Leitung 4 vermindert. Die Ausgangsleitung 11 führt zu einer Ansteuerlogik 12, die die Impulse der Leitung 11 in für einen nachgeschalteten Schrittmotor 13 geeignete Signale in bekannter Weise umformt.
• Die Ausgangsleitung 11 ist ferner an ein UND-Gatter 14 geführt, dessen Ausgang mit dem Zähleingang des Zählers 7 verbunden ist. Das UlD-Gatter 14, das in seinem Aufbau der Torschaltung 5 gleich sein kann, weist außerdem einen invertierenden Eingang auf, an den die Steuerleitung 9 geführt ist. Es versteht sich, daß die Steuerleitung 9 aus einer ilehrzahl von Adern bestehen kann, durch die eine Gruppe von Zählerausgängen des Zählers 7 mit einer Gruppe von Steuereingängen des Frequenzteilers 8 verbunden sind. Mindestens eine der Adern der Steuerleitung (3 ist mit den invertierenden Eingang des UND-Gatters 14 verbunden. Dadurch wird erreicht, daß bei Anstehen eines Signales an diesem Eingang das UMD-Gatter 14 gesperrt wird, so daß keine Impulse von der Ausgangsleitung 11 mehr an den Zählereingang des Zählers 7 gelangen können, so daß der Zähler 7 seinen Zählerstand beibehält, bis über die Steuerleitung 6 ein Nullstellimpuls kommt, der den Zähler rückstellt.
• Zur Erläuterung wird anschließend ein Zahlenbeispiel besprochen. Der Frequenzteiler 8 weist beispielsweise ein maximales Teilungsverhältnis von 15 auf, das auf 14, 13, 12 usuO umgeschaltet werden kann, Dabei ist die Verbindung von Zählerausgängen des Zählers 7, ggf.
• über die zwischengeschaltete Dekodierschaltung 10 so mit den Steuereingängen des Frequenzteilers 8 verbunden, daX bei einen Zählerstand 0 der Steuereingang des Brequenzteilers 8 anspricht, der ein Teilungsverhältnis von 15 einstellt. Bei einen Zählerstand 1 wird In gleicher Weise ein Teilungsverhältnis 14, beim Zählerstand 2 ein Teilungsverhältnis 13 des Frequenzteilers 8 eingestellt.
• Ausgehend vom Stillstand des Schrittmotors wird durch ein Signal auf der Steuerleitung 6 der Zähler 7 auf Null gestellt und die Torschaltung 5 geöffnet. Dabei kann entweder das Signal auf der Steuerleitung 6 als kurzer Impuls erscheinen, wobei dem invertierenden Eingang der Torschaltung 5 eine Selbsthalteschaltung, beispielsweise ein Flipflop vorgeschaltet ist. Beim ersten Impuls wird dann die Torschaltung 5 geöffnet und beim zweiten wieder gesperrt. Bei beiden Impulsen wird der Zähler 7 auf Null gestellt. Oder aber es ist oas auf der Steuerleitung 6 ankommende Signal als Impuls mit einer solchen Dauer ausgebildet, wie es der Betriebszeit des Schrittmotors entspricht. In diesen Fall ist deia Nullstelleingang des Zählers 7 ein galvanisch trennendes Differenzierglied vorgeschaltet oder es ist dieser Eingang des Zählers so ausgebildet, daß er nur auf Impulsflanken anspricht.
• Die vom Impulsgenerator 3 erzeugten Signale durchlaufen die geöffnete Torschaltung 5; der 15.Impuls erscheint auf der Ausgangsleitung 11 und bewirkt über die Ansteuerlogik 12 einen Schritt des Schrittmotors 13. Derselbe Impuls wird über das UND-Gatter 14 dem Zähleingang des Zählers 7 zugeführt; der daraufhin von der Nullstellung auf die Zählstellung 1 umschaltet.
• die Zählstellung 1 bewirkt jedoch ein Umschalten des Frequenzteilers 8 auf ein Teilerverhältnis 14. Dadurch wird wiederum erreicht, daß nach bereits 14 von dem Impulsgenerator 3 gelieferten Impulsen ein Ausgangsimpuls auf der Leitung 11 erscheint. Der Vorgang geht mit abnehmendem Teilungsverhältnis und dadurch zunehmender Frequenz weiter, bis der Zählerstand erreicht ist, der das kleinste Teilungsverhältnis, beispielsweise das Teilungsverhältnis 3 ergibt. Sobald dieser Zählerstand erreicht ist, wird das UND-Gatter 14 gesperrt, weil vor dem invertierenden Eingang ein Signal erscheint. Dadurch werden dem Zäher 7 keine weiteren Signale mehr zugeführt, wodurch ein Zählerstand erhalten bleibt und wodurch auch das Teilungsverhältnis des Frequenzteilers erhalten bleibt. Der Schrittmotor läuft nun mit der gewünschten maximalen Betriebsfrequenz. Wird nun entweder durch Ende des Signales auf der Steuerleitung 6 oder durch einen neuen St euerimpuls das inhalten des Schrittmotors 13 signallsiert, so wird hierdurch die Torschaltung 5 gesperrt, Gleichzeitig kann auch der Zähler 7 auf Null zurückgestellt werden, so daß sich der Frequenzteiler 8 wieder in der Ausgangsstellung für den nachsten Anlaufvorgang befindet.
• Um den Lauf des Schrittmotors 13 zu kontrollieren kann der Schrittmotor mit einem Impulsgeber versehen sein, der bei jedem Schritt einen Impuls abgibt. Diese Impulse werden über eine Rückmeldeleitung 15, die in Fig. 2 gestrichelt dargestellt ist, dem UND-Gatter 14 zugeführt.
• Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern Abweichungen davon möglich sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Insbesondere ist es möglich, einzelne der Erfindungsmerkmale für sich'oder zu mehreren kombiniert anzuwenden. Beispielsweise ist es auch möglich, die gleiche anordnung zum Anhalten des Schrittmotors zu verwenden, falls dies aus irgendwelchen Gründen gevJünscht ist, beispielsweise um en schrittgenaues Anhalten zu ermöglichen. In diesem Fall wird derselbe Vorgang des sondern des Teilungsverhältnisses des Frequenzteilers in umgekehrter Reihenfolge vorgenommen. Es genügt hierzu beispielsweise, durch ein Signal eine Dorschaltung zu öffnen, die zwischen einen Rückwärtszähleingang des Zählers 7 und die Ausgangsleitung 11 oder die ltückmeldeleitung 15 geschaltet ist. ES zählt dann der Zähler rückwärts und stellt den Frequenzteiler 8 wieder auf größere Teilungsverhältnisse zurück. Dabei ist die vor den Rückwärtszähleingang geschaltete Torschaltung mit dem UND-Gatter 14 verriegelt, so daß jeweils nur eine dieser beiden Schaltungen für Impulse durchlässig ist.

Claims (14)

Patentansprüche

1. Schaltung zum Anfahren eines Schrittmotors, mit einem den Schrittmotor steuernden Impulsgenerator, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Impulsgenerator (3) und Schrittmotor (13) ein Frequenzteiler (8) geschaltet ist, und daß die Frequenz der dem Schrittmotor zugeführten Impulse durch Um- oder Abschalten des Frequenzteilers veränderbar ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Teilerverhältnis des Frequenzteilers (8) in mehreren Stufen umschaltbar ist.

3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dan das Umschalten des Frequenzteilers (8") nach Eintreffen eines Startimpulses durch Zeitglieder gesteuert ist, von denen jedes nach seinem Ablauf den Frequenzteiler umschaltet.

4. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Umschalten des Frequenzteilers (8) in Abhängigkeit von der Zahl der nach dem Start dem Schrittmotor (13) zugeführten Impulse gesteuert ist.

5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Umschalten des Frequenzteilers (8) ein Zähler (7) verwendet ist.

6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß de Zlilcr (7) die der: Schrittmotor (13) zugeführten Impulse ebenfalls zugeführt werden.

7. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dei Zähler (7) von dem Schrittmotor (13) bei seinen Lauf erzeugte Impulse zugeführt werden.

8. Schaltung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß vor den Zähleingang des Zählers (7) eine Torschaltung (14) eingeschaltet ist, die Impulse nur durchläßt, solange der Zahler (7) eine vorgegebene Endstellung noch nicht erreicht hat.

9. Schaltung nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch-irekennzeichiet, daß dem Frequenzteiler (8) eine Torschaltung (5) vorgeschaltet ist, die von dem Impulsgenerator (3) kommende Signale nur während des Anstehens eines "Start"- oder "Betrieb"-Signales durchläßt.

10. Schaltung nach einen der vorhergehenden Anspriiche, dadurch gekennzeichnet, daß als Frequenzteiler (8) ein Ringzähler verwendet ist.

11. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Frequenzteiler (8) ein Schieberegister verwendet ist.

12. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum inhalten des Schrittmotors (13) eine Erhöhung des Teilerverhältnisses des Frequenzteilers (8) in analoger Weise erfolgt.

130 Schaltung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang eines Stop-Signales den Brecluenzteiler (8) zurückschaltende Zeitglieder oder einen rücklaufenden Zähler anschaltet.

14. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Verwendung als Vorschubsystem bei RegistriergeräteantriebenO L e e r s e i t e