DE2308056A1

DE2308056A1 - Motor-treiberschaltung

Info

Publication number: DE2308056A1
Application number: DE19732308056
Authority: DE
Inventors: Helmut Stechmann
Original assignee: Kienzle Uhrenfabriken GmbH
Current assignee: Kienzle Uhrenfabriken GmbH
Priority date: 1973-02-19
Filing date: 1973-02-19
Publication date: 1974-08-22
Also published as: DE2308056B2; GB1408257A; FR2218693B1; FR2218693A1

Description

16. Januar 1973

Kienzle Uhrenfabriken GmbH. 7220 Schwenningen /a. N.

Motor-Treiberschaltung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Motor-Treiberschaltung, die in CMOS-Technik integrierbar und zum Antrieb eines Schrittmotors geeignet ist, wobei zu einer Serienschaltung zweier Transistoren entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps eine gleiche Serienschaltung parallel geschaltet ist und der Schrittmotor zwischen den Verbindungsleitungen der seriengeschalteten Transistoren liegt.

Solche Motoren, die beispielsweise von Impulsen am Ausgang einer Cuarzteilerschaltung beaufschlagt werden, sind für niedere Spannungen ausgelegt und

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ziehen daher verhältnismäßig hohe Impulsströme.

Bei bipolaren CMOS-Ausgängen führt dies zu großflächige.n Treiberschaltungen, oder bei entsprechend kleinen Flächen zu unzulässig hohen Spannungsabfällen am Ausgang., Um diese Nachteile zu umgehen, werden verschiedentlich mindestens, vier nicht integrierte Komplementär-Transistoren nachgeschaltet, die also nicht in CMOS-Technik ausgeführt sind (Junghans-Veröffentlichung, Jahrbuch der deutschen Gesellschaft für Chronometrie 1972). Diese Methode ist jedoch relativ aufwendig.

Eine weitere bekannte Möglichkeit besteht darin, zwei Transistoren verschiedener Leitfähigkeit über einen Kondensator mit der Motorspule zu verbinden. Durch Auf- und Entladen des Kondensators wird in der Motorspule ein wechselnder Stromfluß erzeugt (DT-OS 2 110 888). Durch das Zwischenschalten des Kondensators zwischen denxVerstärkerausgang und Synchronmotor verringert sich in günstiger Weise der Stromfluß während jeder Periode der Steuerfrequenz exponentionell von einem hohen Anfangswert, der zum Weiterdrehen des Rotors erforderlich ist, auf einen niedereren Wert, so daß das Strom-Zeit-Integral kleiner als bei unmittelbar an den Verstärkerausgang geschaltetem Synchronmotor ist. Der Nachteil dieser Schaltung besteht darin, daß der Kondensator zwar die mittlere Stromaufnahme begrenzt, den maximalen Strom aber nicht verringert, der zu Beginn des Stromflusses, jeweils auftritt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die A_Ufg?be zugrunde, eine in CMOS-Technik integrierbare I>'otor-Treiberschaltung zu entwickeln, die mit geringstem

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Aufwand eine direkte Ankopplung eines Schrittmotors gestattet. Dabei ist es mit Rücksicht auf die elektronischen Bauelemente von besonderer Wichtigkeit, den maximalen Strom durch die Motorspule zu verkleinern, ohne das dabei die Leistung des Motors verringert wird. Hierzu ist es nötig, die an der Motorspule liegende Spannung effektiv zu erhöhen. Da die zur Verfugung stehende Batteriespannung vorgegeben ist, muß die erwünschte Spannungsüberhöhung an der Motorspule auf elektronischem Wege erzeugt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einer Schaltung der eingangs genannten Art ein Kondensator zur Motorspüle in Serie geschaltet wird und jeweils zwei Transistoren entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, von denen der eine in der einen Serienschaltung und der andere in der anderen Serienschaltung angeordnet ist, den Kondensator über die Motorspule M im Takt mit zwei Steuersignalen umladen, deren erstes die ersten beiden Transistoren steuert und gegenüber dem zweiten, welches die beiden anderen Transistoren steuert, um 90° phasenverschoben ist.

Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß die an der Motorspule liegende Spannung in Bezug auf die Batteriespannung annähernd verdoppelt wird.

Die detaiHLerteBeschreibung der vorliegenden Erfindung erfolgt anhand der folgenden Abbildungen:

Fig. 1 zeigt den Schaltplan, welcher der Erfindung zugrundeliegt.

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Fig. 2 zeigt ein Schemabild zur Verdeutlichung des Grundgedankens der Erfindung.

Fig. 3 zeigt in den Unterbildern a, b, c, und

d die Impulsformen an verschiedenen Punkten der Schaltung nach Fig. 1.

Fig. A zeigt eine Ausführung der Erfindung, in welcher der Kondensator C nicht über die Motorspule, sondern über zwei zusätzliche Transistoren vollständig umgeladen wird.

Fig. 5 zeigt in den Unterbildern a, b, c, d, e und f verschiedene Impulsfolgen, die an verschiedenen Punkten der Schaltung nach Fig. 4 auftreten.

Wir betrachten zunächst Fig. 1. Sie zeigt vier Transistoren. Ep handelt sich um zwei Serienschaltungen von jeweils zwei Transistoren entgegengesetzter Leitfähigkeit, wobei die Serienschaltungen parallel zueinander liegen. Zwischen den Verbindungsleitungen der seriengeschalteten Transistoren befindet sich eine Serienachaltung aus der Motorspule M und dem Kondensator C. In dieser Serienschaltung erfüllt der Kondensator C eine andere Funktion als derjenigen der aus der DT-OS 2 110 bekannt ist. Dies soll im folgaden gezeigt werden. Ebenso unterscheidet sich die Schaltung der vier Transistoren und die dadurch bewirkte Funktion wesentlich von der vorbeschriebenen Schaltung.

Der Grundgedanke der Erfindung läßt sich anhand der Fig. 2 besonders deutlich erklären. Wir erkennen in

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dieser Schaltung wieder die Serienschaltung aus Kondensator C und Motorspule M. Die Ansteuerung dieser Serienschaltung, die eigentlich über vier Transistoren geschieht, ist hier durch einen äquivalenten, mechanischen Doppelschalter S ersetzt. Dieser Doppelschalter besitzt die drei Schaltstellungen 1, 2 und 3. Befindet .sich, der Schalter S in Stellung 1, so liegt an der Serienschaltung (M,C) die Spannung +U_ß. Durch Umlegen des Schalters S in Stellung 3 wird die Spannung an der Serienschaltung (M, C) umgepolt. Die Schalterstellung 2 ist eine Leerstellung, in der die Serienschaltung (M, C) an den Enden offen bleibt.

Dieser fiktive mechanische Schelter wird im Takt mit einem Referenzsignal in der folgenden Weise betätigt: Der Schalter befindet sich während der Dauer des Impulses von Abbildung 3a· in Stellung 1, während der Dauer des Impulses von Abbildung 3b in Stellung 3, und in der dazwischenliegenden Zeit in der Leerstellung 2.

Die Spannungsverhältnisse sind folgendermaßen: Die in Fig. 2 dargestellte Masche zeigt deutlich, daß die an der Motorspule liegende Spannung U». immer gleich der Kondensatorspannung U^ plus oder minus der Batteriespannung Ug(je nach Schalterstellung) ist. In Schalterstellung 1 wird der Kondensator C über die Motorwicklung M so aufgeladen, daß schließlich U_c gleich -Ug ist. Danach wird der Schalter S in Stellung 2 umgelegt. Es ist sehr wichtig, zu beachten, daß sich der Kondensator C in dieser Schalterstellung nicht entladen kann, so daß TL-, gleich -U_ß bleibt. Wird jetzt der Schalter S weiter nach Stellung 3 umgelegt, so ist im

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ersten Augenblick die Spannung an der Motor-. spule

^UM = ^UC-^UB ⁼ -^2UB

Dies ist der gewünschte Effekt. Nun beginnt durch die Motorspule ein Strom zu fließen, der schließlich den Kondensator-C umlädt. Am Ende dieses Umladungsprozesses ist die Kondensator Spannung IL, gleich +U_ß· Der Schalter S wird wieder in die Leerstellung 2 zurückgeschaltet, dabei bleibt die am Kondensator liegende Spannung U_c = +Ug erhalten. Wird der Schalter S nun wieder in Stellung 1 gebracht, beginnt der Zyklus von neuem. Damit ist deutlich gemacht, daß die Funktion des Kondensators C in der vorliegenden Erfindung die ist, die Spannung an der Motorspule IL. effektiv zu verdoppeln.

Offensichtlich funktioniert der oben geschilderte Grundgedanke der Erfindung nur dann, wenn die elektronische Steuerung, die in Fig.' 2 durch den fiktiven Schalter S ersetzt wurde, eine Leerstellung 2 enthält, so daß sich der Kondensator C nicht entladen kann. Der Schalter S v/ird in Abbildung 1 durch die vier Transistoren TrI,Tr2,Tr3 und Tr 4 verkörperte ei der konventionellen Schaltungsanordnung sind die Gates von Tr1 und Tr3 und die Gates von Tr2 und TrA miteinander verbunden. Ein erster Impuls an den Gates von Tr1 und Tr3 schließt Tr1 und öffnet Tr3. Während dieses Impulses liegt an den Gates von Tr2 und Tr4 kein Signal an, so daß Tr2 geöffnet und Tr4 geschlossen bleiben. Nach Beendigung des Impulses kehren Tr1 in den geöffneten und Tr3 in den geschlossenen Zustand zurück. In der Impulspause sind Tr3 und Tr4 beide geschlossen und Tr1 und Tr2 beide geöffnet. Nachfolgend tritt ein Impuls an den Gates von Tr2 und Tr4 auf und es sind nunmehr genau

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die umgekehrten Schaltzustände wie beim Auftreten des ersten Impulses vorhanden. Bei der vorliegenden Erfindung werden jedoch durch den Impuls I und mit Hilfe des Inverters I₁ die Transistoren Tr1 und Tr4 gesteuert. Unabhängig davon können durch das in Abbildung 3b gezeigte Signal II und mit Hilfe des Inverters I_? die einander diagonal gegenüberliegenden Transistoren Tr2 und Tr3 gesteuert werden. Zwischen den Impulsen von Abbildung 3a und Abbildung 3b ergeben sich so Pausen, in denen alle vier Transistoren sperren also . geöffnet sind. Dies entspricht der fiktiven Schalterstellung 2 von Fig. 2

In Fig. 3c ist der zeitliche Verlauf der Kondensatorspannung IL und in Fig. 3d der zeitliche Verlauf der Motorspannung U_v dargestellt.

Es gibt Fälle, bei denen die Impulsdauer ausreicht, um bei großem C und großem Motorwiderstand die Umladung des Kondensators restlos zu vollziehen. Um eine gewisse Impulslänge am Motor zu erzielen, kann es notwendig werden, ein großes C zu verwenden. Da die Aufladung des Kondensators C aber über den Widerstand der Motorspule erfolgt, könnte eine kurze Periodendauer der Schrittfolge nicht ausreichen, um eine vollständige Umladung von C zu gewährleisten.

Bei einer Ausführung der vorliegenden Erfindung, die in Fig. A dargestellt ist, ist dieser Nachteil behoben. Hier wird der Motorimpuls über die üblichen Transistoren Tr1, Tr2, Tr3 und TrA- gegeben. Diese werden durch die in Fig. 5a und 5b dargestellten

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Impulse in der gleichen Weise gesteuert, wie es oben beschrieben wurde. Die danach notwendige Umladung des Kondensators C wird jedoch über zwei zusätzliche Tranistoren Tr5 und Tr6 bewirkt, Dazu werdei zusätzliche Hilfsimpulse benötigt. Der in Fig. 5c dargestellte Hilfsimpuls steuert die Transistoren Tr1 und Tr6 und sorgt während seiner Dauer für eine vollständige Aufladung des Kondensators C. Entsprechend steuert der in Fig. 5d gezeigte Impuls die Transistoren Tr3 und Tr5 und sorgt während seiner Dauer für eine vollständige Umladung des Kondensators C. Dadurch stellt sich am Kondensator C der in Fig. 5e gezeigte zeitliche Spannungsverlauf ein.

Die resultierende Motorspannung ist in Fig. 5f dargestellt.

Aus dieser Beschreibung der-vorliegenden Erfindung geht hervor, daß sowohl die Serienschaltung aus der Motorspule M und dem Kondensator C als a.uch ihre Ansteuerung durch vier bzw. sechs Transistoren sich sowohl in der Funktion als auch in der Ausführung von den bisher bekannten Schaltungen unterscheiden.

Im ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 weist vor Beginn des Impulses I der Kondensator C eine Spannung U_c = U_ß auf. Tritt der Impuls I auf, werden Tr1 und Tr4 geschlossen, so daß an der Motorspule eine Spannung U_M = U_c + U_ß = 2U_ß liegt. Der durch die Motorspule fließende Strom lädt den Kondensator C auf die Spannung U_c =-U._B um. Nach Beendigung des Impulses I werden Tr1 und Tr2 geöffnet. Die ganze Zeit über, d.h. während der Zeiten 2,1,2, sind Tr2 und Tr3 ge-

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öffnet. Anschließend tritt der Impuls II auf, der Tr2 und Tr3 schließt, so daß an der Motorspule eine Spannung von U_M = U_c -U_R= -2Ur, liegt.und der Kondensator auf IL, = +Ug umgeladen wird. Am Ende des Impulses II sind wieder alle Transistoren geöffnet, d.h. sie sperren.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 liegt der Kondensator vor Beginn des Impulses I ?n der Spannung U_R. Bei Auftreten des Impulses I liegt an der Motorspule eine Spannung U^ = U_c + U_ß = 2U_ß, da Tr1 und Tr4 schließen. Der Kondensator wird teilweise umgeladen. Sodann tritt, nach Beendigung des Impulses I der Impuls III auf, der Tr1 und Tr6 schließt, was zu einer völligen Umladung von C auf U^ = -Ug führt. Danach tritt der Impuls II auf, der Tr2 und Tr3 schließt, was zu einer Motorspulenspannung von Up₁ = Up - Ug = -2Ug führt. Der Kondensator C wird teilweise umgeladen. Die völlige Umladung auf U~ = + U_ß findet bei Impuls IV statt, während dem Tr3 und Tr5 schliessen.

ANSPRÜCHE

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Claims

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ANSPRÜCHE

( 1 .yMotortreiberschaltung, die in CMOS-Technik in- —' tegrierbar und zum .Antrieb einesSchrittmotors geeignet ist, wobei zu einer Serienschaltung zweier Transistoren entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps eine gleiche Serienschaltung parallel geschaltet ist und der Schrittmotor zwischen den Verbindungsleitungen der seriengeschalteten Transistoren liegt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kondensator (C) zur Motorspule (M) in Serie geschaltet ist und jeweils zwei Transistoren (Tr1 und Tr4' bzw. Tr2 und Tr3) entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, von denen der eine (Tr1 bzw. Tr2) in der einen Serienschaltung (Tr1, Tr3 bzw. Tr2, Tr4) und der andere- (Tr4 bzw. Tr3) in der anderen Serienschaltung (Tr2, TrA- bzw. Tr1, Tr3) angeordnet sind, den Kondensator (C) über die Motorspule (M) im Takt mit zwei Steuersignalen (I, II) umladen, deren erstes (i) die beiden ersten Transistoren (Tr1 und TrA) steuert und gegenüber dem zweiten (II), welches die beiden anderen Transistoren (Tr2 und Tr3) steuert, um 90° phasenverschoben ist.
2. Treiberschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die Steuersignale (I, II) jeweils das Gate eines Transistors (Tr1 bzw. Tr2) direkt beaufschlagen und am Eingang eines Inverters (I₁ bzw. Ip) liegen, dessen Ausgang am Gate des anderen Transistors (Tr3 bzw. Tr4) liegt.

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3. Treiberschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die mit den Invertern (I₁, Ip) verbundenen Transistoren (Tr3, Tr4) eine η-Leitfähigkeit aufweisen.
4. Treiberschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Verbindungsleitung zwischen Kondensator (C) und Motorspule

(M) verbunden ist mit der Verbindungsleitung einer dritten Serienschaltung zweier Transistoren (Tr5 und Tr6) entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps und ein drittes Steuersignal (III) nach dem ersten Steuersignal (I) die Transistoren (TrI und Tr6) und ein hierzu 90° phasenverschobenes viertes Signal (IV) die Transistoren (Tr3 und Tr5) steuert.

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