DE2753732A1

DE2753732A1 - Rotorsteuerung

Info

Publication number: DE2753732A1
Application number: DE19772753732
Authority: DE
Inventors: Joerg Benz; Jens Haberer; Helmut Ing Grad Stechmann
Original assignee: Kienzle Uhrenfabriken GmbH
Current assignee: Kienzle Uhrenfabriken GmbH
Priority date: 1977-12-02
Filing date: 1977-12-02
Publication date: 1979-06-07
Also published as: DE2753732C2

Description

Rotorsteuerung
Die Erfindung betrifft eine Rotorsteuerung bei einem kleinen Schrittschaltmotor, wobei der Statorspule von einer Steuerstufe Impulse wechselnder Polarität zugeführt werden und die Steuerstufe von Rechteckimpulsen angesteuert wird.
Bei Quarzuhren werden die Schwingungen eines Quarzoszillators über mehrere Teilerstufen geteilt bis auf eine Ausgangsfrequenz von beispielsweise 0,5 oder 1 Hz. Diese von einer Steuerstufe gelieferten Ausgangsimpulse wechselnder Polarität werden der Statorspule eines kleinen Schrittschaltmotors zugeführt. Hierbei ist es bekannt, daß der Schrittschaltmotor bei jedem Impuls einen Drehschritt von 1800 ausführt. Der sich drehende Rotor treibt das Zeigerwerk der Uhr an. Üblicherweise weisen die Ausgangsimpulse eine Rechteckform auf. Bei einem bipolaren Ausgang der Steuerstufe ist es bekannt, daß der eine Rechteckimpuls eine Impulsdauer von 0,5 sec. aufweist, sich daran eine Impulspause von ebenfalls 0,5 sec. anschließt und sodann ein Rechteckimpuls entgegengesetzter Polarität auftritt, dessen Dauer ebenfalls 0,5 sec. beträgt.
Es hat sich gezeigt, daß diese Rechteckimpulse ein Eigenschwingen des Rotors bewirken, was sich in einem relativ lauten Geräusch äußert. Um dieses Eigenschwingungsverhalten des Rotors zu dämpfen, ist es bekannt, echanische Dämpfungsmittel vorzusehen, wie beispielsweise eine Trägheitsmasse, welche lose auf der Rotorwelle aufgesteckt ist. Diese mechanischen Dämpfungsmittel haben sich nicht bewährt, da sie zum einen kein reproduzierbares Dämpfungsverhalten aufweisen, sich die Dämpfung im Laufe der Zeit ändert und außerdem durch sie das Trägheitsmoment des Rotors erhöht wird.
Zur Dämpfung des Eigenschwingungsverhaltens wurde bereits vorgeschlagen, die Abfallsflanke der jeweiligen Antriebsimpulse treppenförmig abfallen zu lassen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß diese Maßnahme nur bedingt zu einem Erfolg führt. Das Eigenschwingen des Rotors wird, wie sich gezeigt hat, in erster Linie angefacht durch die steile Anstiegsflanke der jeweiligen Antriebsimpulse. Das stufenförmige Abklingenlassen des jeweiligen Antriebsinpulses bewirkt lediglich, daß die Rotorschwingungen etwas gedämpft werden, führt jedoch nicht dazu, diese Schwingungen zu verhindern. Durch die vorbeschriebene Maßnahme werden die Fortschaltgeräusche nicht merkbar gedämpft, denn die großen Beschleunigungen des Rotors zu Beginn des Drehschritts sind maßgeblich mitbestimmend für das Fortschaltgeräusch.
Es besteht die Aufgabe, die Rotorsteuerung so auszubilden, daß die vorerwähnten Rotorschwingungen praktisch nicht auftreten und ein Fortschaltgeräusch praktisch nicht merkbar ist.
Celöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.
Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird erreicht, daß der Rotor insgesamt eine nahezu gleichförmige Drehbewegung ausführt, also die Beschleunigungen und Verzögerungen zu Beginn und am Ende jedes Drehschritts sehr gering sind.
Im Sinne eines Dreiecksgenerators gemäß der vorliegenden Erfindung ist auch beispielsweise ein Trapezgenerator zu verstehen, der Impulse mit abgeflachter Anstiegs- und Abfallflanke liefert. Hierunter ist auch ein Sinusgenerator zu verstehen, dessen Ausgangsimpulse einen nahezu sinusförmigen Verlauf aufweisen. Maßgebend ist, das Trägheitsmoment des Rotors klein zu halten.
Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein erstes Schaltungsbeispiel, dessen Kurvenformen in Fig. 2 dargestellt sind; Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, dessen Kurvenformen die Fig. 4 zeigt und Fig. 5 ein drittes Ausführungsbeispiel mit einem Kurvenverlauf nach Fig. 6.
Von der Endstufe der nicht dargestellten Teilerschaltung werden dem Eingang 1 der Steuerstufe Impulse gemäß Fig.
2a) zugeführt. Es handelt sich hierbei z.B. um unipolare Impulse, deren Dauer 0,5 sec. beträgt bei einem Impuls-Pausenverhältnis von 1:1. Die Impulse gemäß Fig. 2a) werden einem Zeitglied zugeführt, welches aus den Transistoren T1 und T und dem Kondensator 2 besteht. Die Transi-1 2 storen T1 und T2 bilden hierbei eine Inverterstufe. Der Ausgang dieser Inverterstufe liegt am Gate einer Gegentakttreiberstufe, bestehend aus den Transistoren T3 und T Die Gate-Spannung der Treiberstufe weist hierbei einen Verlauf gemäß Fig. 2b) auf. Der resultierende Treiberstrom sind die Impulse in Fig. 2c), welche angenähert Dreiecksform aufweisen.
Um ein Entladen des Kondensators 2 über die Inverterausgangswiderstände zu verhindern, ist eine Sperrdiode 3 zwischen dem Kondensator 2 und den Transistoren T1 und T2 vorgesehen. Der Treiberausgangsstrom der Treiberstufe T4, T5 durchfließt die Spule 4 in Richtung des einen Pfeils.
Um einen bipolaren Ausgangsstrom zu erhalten, ist symmetrisch zu der vorbeschriebenen Schaltung eine weitere Schaltung vorgesehen, welche mit dem Eingang 1 über einen Inverter 5 verbunden ist. Während der Pausen der Impulse gemäß Fig. 2a wird die Inverterstufe T6, T7 angesteuert, welche zusammen mit dem Kondensator 6 ein Zeitglied bildet. Am Gatter der Treiberstufe T8, Tg entsteht dadurch eine Treiberspannung entsprechend phasenverschoben zu Fig. 2b. Der daraus resultierende Treiberstrom entspricht den Impulsen gemäß Fig. 2c, jedoch mit umgekehrter Stromflußrichtung und phasenverschoben dazu um die Impulsdauer t = T/2 bzw.t , Auch hier ist eine die Entladung des Kondensators 6 über die Inverterausgangswiderstände verhindernde Diode 7 vorgesehen.
Es hat sich gezeigt, daß die Ausgangsimpulse auch Trapezform aufweisen können. Im vorgenannten Beispiel beträgt die Impulsdauer t für jeweils einen Impuls etwa 1 Sekunde. Bei einem trapezförmigen Impuls sollte die Anstiegsflanke länger als 0,5 msec. dauern. Gleiches gilt auch für die Abfallflanke. Gleichgültig, ob Dreiecks- oder Trapezimpulse vorliegen, sollte die Dauer der Anstiegsflanke gleich oder größer sein im Vergleich zur Dauer der Abstiegsflanke. Es ist also von Bedeutung, eine relativ flache Anstiegsflanke zu erhalten, während die Abfallsflanke dazu relativ steil abfallen kann.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 1 und 2 beträgt in einem Spannungsbereich von 4 bis 14 Volt der Spitzenstrom 7 mA, was zu einem Durchschnittsstrom von 3,5 mA bei nahezu dreieckförmigen Ausgangsimpulsen gemäß Fig. 2d führt. Das optimale Rotorträgheitsmoment be-2 trug 0,008 gcm Es hat sich eine starke Dämpfung der Fortschaltgeräusche ergeben. Eigenschwingungen des Rotors waren praktisch nicht feststellbar. Durch den Kurvenverlauf werden Rückschlagspannungen im Bereich der Treiberstufen vermieden.
Es ist noch zu erwähnen, daß die Größe der Kondensatoren 2 und 6 im pF-Bereich liegt, so daß diese Kondensatoren integrierbar sind.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 3 und 4 ist nur eine Hälfte der Steuerstufe gezeigt. Die rechte Hälfte ist identisch aufgebaut, wobei die Gates der Eingangstransistoren der rechten Hälfte verbunden sind mit den Gates der Eingangstransistoren der linken Hälfte über-jeweils einen Inverter.
Am Gate-Eingang der Treiberstufe T4, T5 sind mehrere Transistoren T10 bis T14 angeschlossen. Weiterhin ist zur positiven Spannungsquelle ein Widerstand 8 geschaltet. Die Transistoren T 10 bis T14 werden aufeinanderfolgend zu- und abgeschaltet, wobei sich die Steuerimpulse gemäß Fig. 4a bis 4e überlappen. Der an T10 anliegende Steuerimpuls ist in Fig. 4a dargestellt. Der Steuerimpuls für T11 beginnt hierzu später, wie Fig. 4b zeigt.
Hierdurch wird erreicht, daß die Gate-Spannung für die Treiberstufe sich treppenförmig auf- und abbaut, was dazu führt, daß der Treiberstrom einen treppenförmigen Verlauf erhält, wie dies die Fig. 4f zeigt. 3e mehr rransistoren T10 bis T14 vorgesehen werden, um so feiner kann die Abstufung gewählt werden. Die parallel geschalteten Transistoren T10 bis T14 bilden zusammen mit dem Widerstand 8 einen Spannungsteiler. Die Impulse gemäß Fig. 4a bis 4e werden von einer nicht dargestellten Logik erzeugt.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 sind zum Transistor T15 der Treiberstufe T15, Tló mehrere Transistoren T17, T18... T zu einem Brückenzweig parallel geschaltet.
n Zur Erzeugung einer stufenförmigen Flanke des Antriebsimpulses werden die Transistoren mit ihren verschiedenen Innenwiderständen nacheinander durchgeschaltet, wie dies durch die Spannungen UG in Fig. 6 verdeutlicht wird. Der daraus resultierende Cesamtwiderstand der Ausgangstransistoren bildet mit dem Motorwiderstand ein Spannungsteilerverhältnis. flei entsprechender Abstufung der parallelgeschalteten Ausgangstransistoren wird der Spannungsabfall an der Motorspule stufenförmig erhöht bzw. abgesenkt. Dies ist in Fig. 6 unten gezeigt.

Claims

Patentansprüche Rotorsteuerung bei einem kleinen Schrittschaltmotor, wobei der Statorspule von einer Steuerstufe Impulse wechselnder Polarität zugeführt werden und die Steuerstufe von Rechteckimpulsen angesteuert wird, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Steuerstufe ein Dreiecksgenerator ist, dessen bipolare Dreiecksimpulse etwa symmetrisch ausgebildet sind.
2. Rotorsteuerung nach Anspruch 1, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Impulsdauer etwa 1 sec. beträgt und die Dauer der Anstiegsflanke gleich oder größer ist der Dauer der Abfalls flanke des Impulses.
3. Rotorsteuerung nach Anspruch 2, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Dauer der Anstiegsflanke gleich oder größer 0,5 msec. beträgt.
4. Rotorsteuerung nach Anspruch 1 und 2, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Spitzenstrom im Bereich von 4 bis 14 Volt kleiner als 10 mA ist, 2 der Motor ein Trägheitsmoment von maximal 0,03 gcm aurweist und pro Impuls einen Drehschritt von etwa 1800 ausführt.
5. Rotorsteuerung nach Anspruch 4, dadurch g e k e n n -z e ic h n e t , daß der Spitzenstrom etwa 7 mA beträgt und das Trägheitsmoment im Bereich von etwa 2 0,001 gcm liegt.
6. Rotorsteuerung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Dreiecksform des Ausgangsimpulses annähernd dargestellt wird durch stufenförmige Flanken, wobei die Anzahl der Stufen für eine Flanke größer 5 ist.
7. Schaltung für eine Rotorsteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e k e n n z e i c h -net, daß am Gate einer Gegentakttreiberstufe (14, T5) der Ausgang eines Zeitglieds anliegt, das aus einer Inverterstufe (11, T2) und einem Kondensator (2) besteht.
8. Schaltung nach Anspruch 7, dadurch g e k e n n -1 e i c h n e t , daß zwischen der Inverterstufe (T1, T2) und dem Kondensator (2) eine Sperrdiode (3) geschaltet ist.
9. Schaltung für eine Rotorsteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß am Gate einer Gegentakttreiberstufe (T4, T5) eine Parallelschaltung mehrerer Steuertransistoren (T10 bis T14) liegt, die mit einem Widerstand (8) einen Spannungsteiler bilden und die aufeinanderfolgend zu- und abgeschaltet werden.
10. Schaltung für eine Rotorsteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß zu einem Transistor (T15) einer Gegentakttreiberstufe (T15, T16) mehrere Transistoren (T17 Bis Tn) parallel geschaltet sind, die aufeinanderfolgend zu- und abgeschaltet werden.
11. Schaltung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der andere Anschluß der Rotorspule (4) an einer weiteren Gegentaktstufe einer weiteren identischen Schaltung angeschlossen ist, deren Ansteuerung um 1800 phasenverschoben ist.