DE2802842A1 - Schrittschaltmotor - Google Patents

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BLUMBACH · WESER · BERGEN · KRAMER

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Skokie, Illinois /USA

Schritts chaltmotor.

Die Erfindung betrifft einen Schrittschaltmotor mit einem Rotor, einem Stator und einer Vielzahl von Phasenwicklungsgruppen in Verbindung mit einer Einrichtung zur Erregung jeder Phasenwicklungsgruppe in einer vorbestimmten Reihenfolge zum Weiterschalten des Motors sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Schrittschaltmotors.

Schrittschaltmotoren haben im allgemeinen entweder magnetisch permeable Rotoren oder Permanentmagnetrotoren. Wicklungen sind üblicherweise mit radial ausgerichteter Achse um den Rotor herum angeordnet und auf dem Stator des Schrittschaltmotors befestigt. Gewöhnlich werden mehrere, auf dem Stator mit Abstand angeordnete Wicklungen zusammengeschaltet und gleichzeitig erregt, um den Rotor in eine vorbestimmte Winkellage mit Bezug auf diese

München: R. Kramer Dipl.-Ing. · W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. · P. Hirsch Dipl.-Ing. · H.P. Brehm Dipl.-Chem. Dr. phil. nat. Wiesbaden: P.G. Blumbach Dipl.-Ing. . P. Bergen Dipl.-ing. Dr. jur. · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.

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Wicklungen zu bringen.

Bei einem Schrittschaltmotor, dessen Rotor variablen magnetischen Widerstand besitzt, wird ein Drehmoment vom Rotor so lange erzeugt, bis er in eine Winkellage kommt, in der der Luftspalt oder -abstand zwischen dem Rotor und dem Statorkern in der Nachbarschaft der erregten Wicklungen ein Minimum wird. Bei einem Permanentmagnetmotor bewegt sich der Rotor so, dass ein Permanentmagnetpol so dicht als möglich zum entgegengesetzten Pol gelangt, der elektromagnetisch durch eine entsprechende Wicklung erzeugt wird. Es kann eine Vielzahl solcher Wicklungsgruppen um den Stator herum angeordnet werden, wobei jede Gruppe nacheinander erregt wird, um den Schrittschaltmotor um kleine Winkelbeträge oder Schritte weiterzusehalten, wenn jeweils eine Wicklungsgruppe abgeschaltet und eine andere Wicklungsgruppe erregt wird.

Wenn ein Schrittschaltmotor sehr langsam - beispielsweise mit einem Schritt je Sekunde - weitergeschaltet wird, so geht die Rotorgeschwindigkeit für jeden Schritt aus dem Ruhezustand auf einen Spitzenwert und zurück zum Ruhezustand. Wenn die Schrittgeschwindigkeit ansteigt, so wird ein Zustand erreicht, bei dem der Motor nicht mehr in den Ruhezustand gelangt, sondern für jedes Schrittintervall nur noch beschleunigt und verzögert. Bei weiterer Zunahme der Schrittgeschwindigkeit verringert sich die Differenz

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zwischen der Spitzengeschwindigkeit und der Minimalgeschwindigkeit des Rotors, bis der Rotor fast seine Maximaldrehzahl erreicht. Dies ist die sogenannte "Nachführgeschwindigkeit" des Schrittschaltmotors. Bei der Nachführgeschwindigkeit ist die Winkelgeschwindigkeit des Rotors nahezu so gleichmässig und konstant als jeweils möglich. Der Schrittschaltmotor benimmt sich dann ganz ähnlich wie ein Wechselstromsynchronmotor. Die Höhe der Nachführgeschwindigkeit hängt von vielen Motor-, Antriebs- und Systemparametern ab, zu denen die Lasteigenschaften, die Wicklungsinduktivität, die Antriebsleistung und die Antriebsschaltung gehören. In Anlagen, bei denen ein Schrittschaltmotor eine Last antreibt, beispielsweise einen Draht-Matrixdrucker gemäss US-PS 3,982,622 (28. September 1976), die sowohl eine Trägheits- als auch eine Reibungskomponente hat, ist die Schrittgeschwindigkeit des Rotors bei Erregung einer Wicklungsgruppe nach der andern üblicherweise auf einen für den schlechtesten Fall geltenden Wert begrenzt, um zu verhindern, dass der Erregungszustand der Wicklungen so schnell fortschreitet, dass der Rotor ausser Tritt fällt und damit der Synchronismus mit den Wicklungen verloren geht.

Der Druckerkopf wird von links nach rechts über ein Speichermedium oder Papier fortbewegt. Der Druckerkopf durckt eine Spalte von Punkten an jeder Spaltenposition

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und kann an jedem Punkt bei seiner Bewegung über das Papier angehalten werden. Er muss dann die Druckgeschwindigkeit innerhalb eines Schrittes erreichen und bei einem Minimum an Überschwingen oder anderen Geschwindigkeit sfehlem halten können.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, einen Schrittschaltmotor zu schaffen, der die obenangegebenen Forderungen erfüllt. Zur Lösung der Aufgabe geht die Erfindung aus von einem Schrittschaltmotor der eingangs genannten Art und ist gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum verändern der Erregungsstärke der Phasenwicklungsgruppen, um das Drehmoment des Motors zu ändern.

Durch Verändern der Erregungsstärke für die Wicklungsgruppen kann der Motor ein grosses Drehmoment für ein schnelles Hochlaufen aus der Ruhelage erhalten, und das Drehmoment kann bei der Betriebsgeschwindigkeit verringert werden, um die Belastung auszugleichen, derart, dass der Motor im Nachführbetrieb läuft.

Nachfolgend soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben werden. Es zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung eines Schrittschaltmotors und einer Steuerschaltung nach

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der Erfindung;

Fig. 2 eine Anzahl von Kurvenformen, die typische Erregungssignale für einen Schrittschaltmotor darstellen;

Fig. 3 eine Kurvenform für das Ausführungsbeispiel der Erfindung, "bei der die Geschwindigkeit eines hochlaufenden Rotors gemessen wird;

Fig. 4 die Erzeugung eines typisehen, getasteten Antriebssignals gemäss Fig. 2.

In Fig. 1 ist ein konventioneller binärer Ringzähler dargestellt, der typisch in beiden Richtungen mit einem von zwei Steuersystemen betriebn werden kann. Bei dem ersten Steuersystem werden Fortschalte- oder Vorwärtsimpulse von einer Steuerung 11 - die eine manuelle Schnittstelle sein kann - an den Eingang ADV (vorwärts) des Ringzählers 1o gegeben, um den Ringzähler in einer Richtung laufen zu lassen, oder es werden Impulse von einer Rückwärtssteuerung 12 - die ebenfalls eine manuelle Schnittstelle sein kann - an den Eingang REV (rückwärts) des Ringzählers 1o angelegt, um den Ringzähler in der umgekehrten Richtung laufen zu lassen. Bei dem zweiten Typ eines Steuersystems werden alle Weiterschaltimpulse in beiden Richtungen an den Eingang

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ADV gegeben, und die Laufrichtung des Ringzählers wird durch den Binärzustand am Eingang REV bestimmt.

In jedem Fall hat der Ringzähler 1o vier Ausgänge 13, von denen jeweils immer nur einer im Normalfall erregt ist. Die vier Ausgänge 13 führen zu vier UND-Gattern 14. Diese Gatter lassen ein Erregungssignal immer dann durch, wenn beide Eingänge des gewählten UND-Gatters 14 betätigt sind. Das zweite Eingangssignal jedes der vier UND-Gatter 14 wird über eine Taststeuerleitung 16 geliefert, die nachfolgend noch genauer beschrieben wird. An dieser Stelle sei nur gesagt, dass das Signal auf der Taststeuerleitung 16 eine zum Leistungsbedarf in Beziehung stehende Eigenschaft besitzt. Fig. 2 zeigt typische Signale am Ausgang der UND-Gatter 14. Die Rechteckimpulse kurzer Dauer ergeben sich durch das Tastsignal auf der Taststeuerleitung 16. Gruppen von Tastsignalen kurzer Dauer bilden in Kombination Fortschalteimpulse für den Schrittschaltmotor, beispielsweise den Impuls 17.

Das Ausgangssignal jedes der vier UND-Gatter 14 wird an den Basisanschluss eines zugeordneten Transistor-Treiberverstärkers 18 angelegt. Es ist zwar nur jeweils ein Transistor für die Beaufschlagung jeder der vier Wicklungsgruppen 2o dargestellt; es sei aber darauf hingewiesen, dass aufwendigere Treiberverstärker bekannter Art benutzt werden können. Jede der vier Wicklungsgruppen

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2o ist als einzelne Wicklung gezeigt. In der Praxis wird aber jede der vier Wicklungen 2o durch eine einzelne Phase oder Gruppe von Wicklungen des Schrittschaltmotors gebildet. Die Wicklungsgruppen 2o sind um den Umfang des Stators verteilt, und die Wicklungen einer gegebenen Gruppe können in Reihe oder parallel je nach Konstruktion des speziellen Schrittschaltmotors geschaltet werden. Vier Klemmdioden 22 sind so geschaltet, dass sie bei normalem Stromfluss aus einer Spannungsquelle +V sperren und liegen parallel zur jeweils zugeordneten Wicklungsgruppe 2o, um einen induktiv erzeugten Ausschaltstromstoss zu vermeiden, der zu einer gefährlich hohen Spannung für den zugeordneten Treiberverstärker 18 führen könnte. Ein Widerstand 24 in Reihe mit jeder Diode 22 erhöht die Maximalspannung, die jede Wicklungsgruppe 2o induktiv erzeugen kann, um die für den Schrittschaltmotor zulässige Schrittgeschwindigkeit möglichst gross zu machen. Wenn der Schrittschaltmotor mit niedriger Geschwindigkeit, d.h. unter statischen Bedingungen betrieben'werden soll, so wird der Schalter 26 geschlossen, der den Widerstand 24 kurz schliesst, wodurch die Abschaltung jeder Wicklungsgruppe verlangsamt wird, wenn der zugeordnete Treiberverstärker 18 ausschaltet. Das ist besonders zweckmässig bei Verwendung eines getasteten Treibimpulses (vergleiche Fig. 2), weil die Diodenklemmung auf eine niedrige Spannung den Strom glättet, der sich aufgrund eines getasteten Treibsignals ergibt.

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Die sequentielle Erregung der Wicklungsgruppen 2o des Schrittschaltmotors unter Steuerung des Ringzählers 1o bewirkt eine schrittweise Drehung des Rotors 3o des Schrittschaltmotors. Im normalen Betrieb ist irgend eine Last (nicht gezeigt) mit der Welle des Schrittschaltmotors verbunden, die schematisch durch die gestrichelte Line 32 dargestellt ist und die Belastung des Schrittschaltmotors bildet.

Auf der Welle 32 ist eine optische Scheibe 34 mitdrehend befestigt. Die Scheibe 34 besitzt in bekannter Weise abwechselnd lichtdurchlässige und undurchlässige Bereiche, die auf ihrem Umfang verteilt sind. Die Teilung dieser Bereiche auf dem Umfang der Scheibe 34 kann sehr fein gemacht werden. Vorzugsweise werden sechs oder mehr leicht durchlässige Bereiche, die durch undurchlässige Bereiche getrennt sind, in einem Wimkelbereich angeordnet, um den sich der Schrittschaltmotor bei einem Schritt aufgrund der Abschaltung einer Wicklungsgruppe 2o und der Erregung der nachfolgenden Wicklungsgruppe 2o dreht.

Ein optischer Fühler 38, der auf einer Seite der optischen Scheibe gegenüber einer Lichtquelle 36 angeordnet ist, tastet einen Lichtstrahl ab, der durch die durchlässigen Bereiche der optischen Scheibe 34 fällt. Das Ausgangssignal des Fühlers 38 besteht in typischer Weise aus einer Serie von Impulsen mit einem Übergang in einer

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Richtung, wenn ein undurchlässiger Bereich kein Licht auf den Fühler 38 auffallen lässt, und mit einem Übergang in entgegengesetzter Richtung, wenn ein durchlässiger Bereich der Scheibe 34 zwischen der Lichtquelle und dem Fühler 38 liegt. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel können bis zu 4ooo Impulse je Sekunde vom Fühler geliefert werden. Dies ist jedoch nur eine typische Zahl, und es können spezielle Konstruktionen entwickelt werden, die eine noch grössere Zahl von Impulsen je Sekunde liefern.

Die vom Fühler 38 erzeugten elektrischen Impulse gelangen zu einem Quadrierverstärker 4o, der in typischer Weise ein Schmitt-Trigger oder eine vergleichbare Schaltung sein kann, die eine Folge von Impulsen mit sehr kleiner Anstiegs- und Abfallzeit aufgrund eines Eingangssignals erzeugen kann, das verhältnismässig grosse Anstiegsund Abfallzeiten besitzt. Jede Anstiegsflanke des Ausgangssignals am Quadrierverstärker 4o stellt die Winkelbewegung des Rotors 3o um eine Winkeleinheit dar. Das Ausgangssignal des Quadrierverstärkers 4o ist im wesentlichen eine Rechteckwelle. Ein Impulsformer 41 nimmt das Ausgangssignal des Quadrierverstärkers auf und erzeugt bei jeder ansteigenden Flanke der Rechteckwelle einen Impuls sehr kurzer Dauer. Die Impulse 41 in Fig. 3 stellen die Ausgangsimpulse des Impulsformers 41 dar. Die bevorzugte Ausführungsform des Impulsformers 41

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ist ein monjstabiler Multivibrator.

Mehrere Winkeleinheiten (jede durch einen Impuls 41 in Fig. 3 dargestellt) bilden einen einzelnen Schritt des Schrittschaltmotors. Fig. 3 zeigt die Impulse, die der Impulsformer 41 liefert, wenn der Rotor 30 beschleunigt. Wie sich noch zeigen wird, haben die Fig. 2 und 3 nicht die gleiche Zeitbasis.

Ein Taktgeber 42, vorzugsweise ein Unijunction-Oszillator, erzeugt Impulse mit einer Frequenz von etwa 80 kHz (vergleiche Fig. 3) und gibt diese Impulse über ein normalerweise betätigtes UND-Gatter 43 an einen Binärzähler 44, der vier Ausgänge 46 besitzt. Es kann jedoch zweckmäßig sein, mehr als sechzehn Impulse auf der Grundlage des vom Taktgeber 42 gelieferten.Signals mit 80 kHz zu zählen. Folglich enthält der Zähler 44 mehr als vier Stufen. Diejenigen Stufen des Zählers 44, die den niedristwertigen Bits zugeordnet sind, können als Ausgänge 46 fehlen. Die Ausgangssignale werden vorzugsweise von den vier höchststelligen Stufen des Binärzählers 44 abgeleitet. Man erkennt, daß bei der als Beispiel für den Taktgeber 42 angegebenen Frequenz und für die Wellenimpulse vom optischen Fühler 38 der Binärzähler 44 eine Zählkapazität von mehr als 20 und vorzugsweise wesentlich mehr haben sollte.

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Wenn der Schrittschaltmotor sich aus der Ruhelage bewegt, so kann die Zahl der Impulse des Taktgebers 42, die den Zähler 44 zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen des Impulsformers 41 erreichen, die Kapazität des Zählers 44 übersteigen. Es ist wichtig, daß der Zähler 44 nicht in seinen Anfangszustand zurücklaufen kann, da dann ein fehlerhafter Zählwert angezeigt würde. Daher ist jeder Ausgang 46 an einen Eingang eines NAND-Gatters 48 angeschlossen. Wenn alle vier Ausgänge 46 des Zählers 44 binär 1 sind, so hat der Zähler 44 seinen maximalen Zählwert erreicht und will sich unter Rücklaufen selbst zurückstellen. Das NAND-Gatter 48 sperrt jedoch den normalerweise betätigten Eingang des UND-Gatters 43f so daß der Zähler 44 keine weiteren Zählimpulse vom Taktgeber 42 erhält. In der Praxis könnte der Zähler 44 alternativ auch bei Erreichen desjenigen Zählwertes angehalten werden, welche der maximalen, dem Schrittschaltmotor zugeführten Leistung entspricht.

Jedesmal dann, wenn der Impulsformer 41 ein Ausgangssignal (vergle Fig« 3) liefert, so wird dieses Signal direkt an den Ladeeingang L eines Speicherregisters 44 gegeben, das die vier höchststelligen Bits speichert, die zu diesem Zeitpunkt am Ausgang 46 des Zählers 44 vorhanden sind»

Es sei auf Figo 3 Bezug genommene Die Wellenimpulse vom Ausgang des Quadrierverstärkers 40 haben einen Abstand, der in

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Ag

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Beziehung zur Drehzahl der Welle 32 steht. Wenn daher die Welle 32 beschleunigt, so ist der Abstand bei kleiner Drehzahl größer ist und bei großer Drehzahl kleiner. Wenn die Welle langsamer dreht, so zählt der Zähler 44 eine größere Anzahl der 80 kHz-Impulse zwischen aufeinanderfolgenden Wellenimpulsen als bei schnellerer Drehung.

Das Ausgangssignal des Impulsformers 41 durchläuft außerdem eine Kurzzeit-Verzögerungseinrichtung 46, um den Zähler 44 in seine Anfangsstellung zurückzustellen. Die Länge der Verzögerung ist nicht wichtig. Sie muß nur groß genug sein, um sicherzustellen, daß der Inhalt des Zählers 44 vor seiner Rückstellung richtig in das Register 54 übertragen wird. Außerdem soll die Verzögerung der Einrichtung 56 kleiner als die Periode des Taktgebers 42 sein, wodurch sichergestellt wird, daß der nächste Taktimpuls des Taktgebers 42 richtig als erster Zählimpuls nach Rückstellung des Zählers 44 registriert wird.

Das Ausgangssignal der Verzögerungseinrichtung 56 wird außerdem an den Taktgeber 42 gegeben, um die 80-kHz-Taktimpulse mit den Wellenimpulsen vom Impulsformer 41 zu synchronisieren. Diese Synchronisation stellt sicher, daß der Zähler 44 immer zum gleichen Zeitpunkt mit Bezug auf die Wellenimpulse vom Impulsformer 41 startet. Wenn der Rotor 30 beschleunigt, ist diese Synchronisation verhältnismäßig unwichtig. Wenn jedoch

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der Rotor 30 die gewünschte Winkelgeschwindigkeit hat, ist es zweckmäßig, daß der Zähler 44 immer die gleiche Anzahl von Impulsen zwischen zwei beliebigen Wellenimpulsen mit gleichem Abstand zählt. Wenn keine Synchronisation vorhanden wäre, könnte dieser Zählwert um 1 schwanken. Diese Schwankung würde zu einer entsprechenden Änderung der an den Schrittschaltmotor gelieferten Leistung führen. Diese wiederum würden Drehzahlschwankungen ergeben. Solche Drehzahlschwankungen wurden zu einem unnötigen und unerwünschten Zittern führen.

Die Ausgangssignale des Speicherregisters 54 werden den Code-Eingängen eines Code-Wandlers 58 zugeführt. Außerdem wird das Ausgangssignal der Verzögerungseinrichtung 56 zum Triggern des Code-Wandlers 58 benutzt, wenn der spezielle Code-Wandler einen besonderen Trigger-Impuls zur Einleitung eines Operationszyklus benötigt.

Wie in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben, ist bei einem Betrieb des Schrittschaltmotors nach dem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wenn die Welle 32 und der Rotor 30 sich sehr langsam drehen, der vom Zähler 44 erreichte Binärzählwert verhältnismäßig hoch, wodurch angegeben wird, daß dem Motor eine verhältnismäßig große Leistung zugeführt werden sollte, um ein größeres Drehmoment zu erzeugen und den Rotor 30 zu beschleunigen. Wenn jedoch der Rotor 30 mit hoher Drehzahl

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läuft, so ist der Zählwert im Zähler 44 verhältnismäßig klein, wodurch angegeben wird, daß der Wicklung 20 des Schrittschaltmotors 30 niedrige Leistung zugeführt werden sollte. Der Code-Wandler 58 hat den Zweck, auf mehr oder weniger komplizierte Art das Ausgangssignal des Speicherregisters 54 in ein Drehmoment-Anforderungssignal an einer Vielzahl von Ausgängen 62 umzuwandeln, das den Betrag der an die Wicklung 20 des Schrittschaltmotor s gegebenen Leistung bestimmt.

Man erkennt, daß die jeweilige Code-Umwandlung eine Vielzahl von Formen annehmen kann, da die jeweilige Verwendung des Schrittschaltmotors bestimmt, welche Anzahl von Impulsen im Register 54 zu welchem Energieanforderungssignal an den Ausgängen 62 des Code-Wandlers 58 führt. Eine Diodegatter-Code-Umwandlung ist außerordentlich zweckmäßig zur -Verwirklichung des Code-Wandlers 58. Außerdem kann ein Festwertspeicher (ROM) als Code-Wandler 58 verwendet werden. Selbst eine Speicherprogramm-Steuereinrichtung mit einem auf leicht übersehbare Weise aufgebauten Nachschlagetabellenprogramm kann benutzt werden. Der Adresseneingang des Festwertspeichers empfängt die Ausgangssignale vom Speicherregister 54 und die vom Festwertspeicher gelieferten Ausgangssignale stellen dann die Ausgangs signale 62 dar· Je nach Art der verwendeten Code-Umwandlung im Wandler 58 führt jede binäre Permutation der Ausgangssignale des Speicherregisters 54 zu einer zugeordneten Permutation der Ausgangssignale 62 in einem vielstufigen

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Binärcode. Folglich stellen die vier Stufen der Binärsignale, die das Ausgangssignal des Speicherregisters 54 bilden, sechzehn besondere Permutationen dar. Diese sechzehn Permutationen werden vom Code-Wandler 58 in sechzehn besondere Permutationen am Ausgang 62 des Code-Wandlers 58 umgewandelt. Diese sechzehn Permutationen stellen sechzehn Leistungswerte dar (von denen einige doppelt vorhanden sein können), die an eine erregte Wicklung 20 des Schrittschaltmotors gegeben werden soll. Es sind zwar sechs Ausgänge 62 des Code-Wandlers 58 dargestellt und sechs Binärstufen können vierundsechzig besondere Permutationen darstellen, aber es werden bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel nur sechzehn Permutationen ausgenutzt und die anderen achtundvierzig Permutationen nicht beachtet.

Für andere Operationen, die hier nicht beschrieben werden, sind vierundsechzig Zählwerte wünschenswert. Daher sind sechs Ausgänge 62 zweckmäßig. Sechzehn unterschiedliche Leistungswerte für den Motor stellen jedoch eine angemessen feine Leistungsunterteilung dar.

Die Ausgänge 62 des Code-Wandlers 58 werden einer Eingangsseite eines Komparators 66 zugeführt. Ein 560-kHz-Taktgeber 70 liefert Taktimpulse an einen sechsstufigen Binärzähler 72. Das Taktsignal mit 560 kHz ist in Fig. 4 dargestellt, die nicht die gleiche Zeitbasis wie die Fig. 2 oder 3 hat. Der Binärzähler 72 ist so ausgelegt, daß er sich nicht erst

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nach vierundsechzig Taktimpulsen, sondern nach achtunddreißig Taktimpulsen auf den Anfangszustand zurückstellt. Demgemäß stellt sich der Zähler 72 20.000 Mal je Sekunde zurück (ein Wert, der höher liegt als der Hörfrequenzbereich). Da ein Motor dazu neigt, mit seiner Erregungsfrequenz magnetostriktiv zu schwingen, liegt zweckmäßig diese Frequenz außerhalb des Hörbereiches, damit die Maschine leiser wird.

Das Ausgangssignal jeder der sechs Stufen des Binärzählers wird an die andere Eingangsseite des !Comparators 66 gegeben. Der Komparator 66 vergleicht zu jedem Zeitpunkt die am Ausgang 62 vorhandene Code-Permutation mit der 6-Bit-Code-Permutation an den Ausgängen des Zählers 72. Wenn der durch die Permutation an den Ausgängen 62 dargestellte binäre Zählwert größer ist als der durch die Permutation an den Ausgängen des Zählers 72 dargestellte binäre Zählwert, so ist der Ausgang 73 des !Comparators in einem ersten Binärzustand (beispielsweise binär 1, vergl. Pegel 74 der unteren Kurve 73 in Pig« 4). Wenn jedoch der durch das Ausgangssignal des Zählers 72 dargestellte binäre Zählwert größer ist als der durch die Permutation am Ausgang 62 dargestellte binäre Zählwert, so ist der Ausgang 73 des Komparators 66 im anderen Binärzustand (beispielsweise binär 0, vergl» Pegel 76 der unteren Kurve 73 in Fig. 4).

Demgemäß ist die binäre Signalfolge am Ausgang 73 eine Recht-

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eckwelle mit einer Frequenz, die der Zyklusfrequenz des Zählers 72 von 20 kHz entspricht. Das Tastverhältnis der Rechteckwelle am Ausgang 73» also das Verhältnis der Einschaltzeit (Pegel 74) zur Ausschaltzeit (Pegel 76) wird durch die binäre Zählwertdarstellung an den Ausgängen 62 des Code-Wandlers 58 dargestellt, der wiederum durch den Zählwert im Speicherregister 54 gesteuert wird. Als Beispiel sei erläutert, daß jede Änderung vom Pegel 76 auf den Pegel 74 in Fig. 4 auftritt, wenn der Zähler 72 sich zurückstellt. Jede Änderung vom Pegel 74 auf den Pegel 76 tritt auf, wenn die Code-Permutation an den Ausgängen 62 gleich dem Ausgangssignal des Zählers 72 ist. Die Kurvenform 73 in Fig. 4 entspricht einem kleinen Abschnitt eines Phasenimpulses 17 in Fig. 2, der in einem UND-Gatter 14 kombiniert wird.

Der Komparator 66 kann eine Logikanordnung mit UND- und ODER-Gattern, eine Speicherprogramm-Prozessoreinheit oder eine integrierte Schaltung 74C80 enthalten, die als Standarschaltung von den Firmen National Semiconductor Corporation, Fairchild Semiconductor Corporation oder Texas Instruments Corporation hergestellt wird.

Das Ausgangssignal 73 ist eine 20-kHz-Rechteckwelle (oberhalb des normalen Hörbereiches), dessen Tastverhältnis die

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Höhe der an den Schrittschaltmotor 30 zu lieferenden Leistung darstellt. Diese Rechteckwelle wird"über ein ODER-Gatter 80 und die Taststeuerleitung 16 an das jeweilige UND-Gatter 14 gegeben, um das Einschalteignal vom Ringzähler 10 zu tasten, d.h., ein- und auszuschalten (als Beispiel sei auf den getasteten Impuls 17 in Fig. 2 verwiesen). Demgemäß wird der zugeordnete Treiberverstärker 18 mit einer Frequenz von 20 kHz ein- und ausgeschaltet, so daß er eine mittlere Leistung an seine zugeordnete Wicklungsgruppe 20 liefert, die kleiner als die Leistung ist, die dann an diese Wicklungsgruppe gegeben würde, wenn der zugeordnete Treiberverstärker 18 dauernd eingeschaltet wäre, während sich der Rotor des Schrittschaltmotors in Richtung auf diese Wicklungsgruppe bewegt. Wenn beispielsweise das getastete 20-kHz-Signal ein Tastverhältnis von 5096 hat, d.h., während der halben Zeit eingeschaltet und der halben Zeit ausgeschaltet ist, so beträgt die an die gewählte Wicklungsgruppe 20 gelieferte Leistung etwa die Hälfte der maximalen Leistung, die bei kontinuierlicher Erregung der Wicklungsgruppe zugeführt würde.

Wenn der Motor 30 nach einer Ruheperiode zum ersten Mal anläuft, kann der Inhalt des Zählers Undefiniert sein. Während dieser Anfangsperiode ist es am besten, das Ausgangssignal 73 für eine kurze Zeit unbeachtet zu lassen. Zu diesem Zweck stellt das ODER-Gatter 80 sicher, daß die Antriebssignale des Schrittschaltmotors nicht getastet werden, wenn die Wellen-

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signale vom Impulsformer 41 nicht in einem Abstand von weniger als etwa 5 ms auftreten. Dazu werden die Impulse vom Impulsformer 41 außerdem dem Einstelleingang eines monostabilen Multivibrators 84 zugeführt. Vorzugsweise ist dies ein von einem Verstärker getriebener oder ein monostabiler Unijunction-Multivibrator mit einem Rückstellintervall Null, beispielsweise ein SN74i23_f hergestellt von der Firma Texas Instruments Corporation. Bei einem solchen monostabilen Multivibrator ändert sich der invertierte Ausgang vom stabilen Binärzustand 1 in den quasi stabilen Binärzustand 0 immer dann, wenn ein Einstellsignal ankommt. Der invertierte Ausgang bleibt im Binärzustand 0 für die quasi stabile Dauer. Wenn ein zweites Einstellsignal vor dem Ende der quasi stabilen Dauer ankommt,, so bleibt der monostabile Multivibrator im quasi stabilen Zustand für die volle quasi stabile Dauer nach dem zweiten Einstellsignal· Anders gesagt, der monosta-Ml e Multivibrator ist nachtriggerbar. Der monostabile Multivibrator bleibt also im quasi stabilen Zustand auf unbestimmte Bauer, so lange die ankommenden Einstellsignale einen Abstand üsiner als die quasi stabile Dauer haben.

Janmer dann, wenn der Motor sich nicht um wenigstens eine Einheit während eines Intervalls von 5 ms bewegt, kann der jaaanostabile Multivibrator 84 in seinen stabilen Zustand zu- ~3fickkehren. Sein invertierter Ausgang wird dann eine binäre

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1 und stellt einen Zwischenspeicher 88 in den Binärzustand 1 ein. Der normale Ausgang des Zwischenspeichers 88 ist mit dem ODER-Gatter 80 verbunden und die sich ergebende binäre 1 am Ausgang des ODER-Gatters 80 stellt sicher, daß das Motortreibsignal ungetastet bleibt, bis der Zwischenspeicher 88 zurückgestellt wird.

Das invertierte Ausgangssignal des monostabilen Multivibrators 84 wird außerdem an den Rückstell eingang einer Teilerschaltung 92 angelegt. Wenn der monostabile Multivibrator 84 seinen stabilen Zustand annimmt, stellt er den Teiler 92 zurück und den Zwischenspeicher 88 ein.

Sobald sich der Rotor 30 zu drehen beginnt, stellt der erste Wellenimpuls vom Impulsformer 41 den monostabilen Multivibrator 84 in seinen quasi stabilen Zustand ein, wodurch das Einstellsignal vom Zwischenspeicher 88 und das Rückstellsignal vom Teiler 92 abgeschaltet werden. Der Zwischenspeicher 88 verbleibt jedoch im Binärzustand 1.

Venn der zweite Wellenimpuls vom Impulsformer 41 weniger als 5 ms später geliefert wird, so bleibt der monostabile Multivibrator 84 im quasi stabilen Zustand, und der Teiler 92 gibt ein Rückstellsignal an den Zwischenspeicher 88. Wenn der Zwischenspeicher 88 zurückgestellt ist, so wird sein Binärsignal 1 vom ODER-Gatter 80 abgeschaltet, und die Tast-

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steuerleitung 16 spricht dann auf das Tastsignal am Ausgang 73 an. Von diesem Zeitpunkt an mißt der Zähler 44 die Geschwindigkeit des Rotors 30.

Die obige Erläuterung zeigt, daß die Geschwindigkeitsmessung des Rotors 30 in einem Rückkopplungssystem zur Erzeugung eines Leistungsanforderungssignals am Ausgang 62 benutzt wird, das wiederum zur Erzeugung eines Tastsignals auf der Taststeuerleitung 16 zur Zeitmodulation in den Gattern 14 für die an die Wicklungsgruppen 20 gelieferten Treibsignale verwendet wird.

Dieses Tastsignal kann zu einem Signal mit einem Tastverhältnis von IOO96, d.h., einem kontinuierlich eingeschalteten Signal werden, wenn der Schrittschaltmotor mit kleiner Drehzahl läuft. Wenn der Rotor 30 die gewünschte Druckgeschwindigkeit des in der obengenannten US-PS 3,982,622 beschriebenen Druckers erreicht, so überträgt der Code-Wandler 58 Signale an den Komparator 62, der das Tastverhältnis des Signals auf der Taststeuerleitung 16 verringert, um die an den Schrittschaltmotor gelieferte Leistung herabzusetzen. Diese Leistung kann auf beliebige Weise im Code-Wandler 58 gesteuert werden, um ein Überschießen oder Unterschießen der Geschwindigkeit des Rotors 30 auf ein Minimum zu bringen.

Außerdem ist die mittlere Leistung, die sich aus dem Tast-

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verhältnis des getasteten Signals ergibt, so gewählt, daß bei der gewünschten Druckgeschwindigkeit der Schrittschaltmotor in seiner Nachführarbeitsweise läuft. Die Leistungsbeträge lassen sich alle leicht empirisch bestimmen, und der Code-Wandler 58 wird an Hand seiner Verdrahtung oder Programmierung entsprechend angepasst, je nachdem welcher Typ gewählt wird.

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L e e r s e i t e

Claims (17)

BLUMBACH · WESER . BERGEN . KRAMER PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN Patentconsult Radeckestraße 43 8000 München 60 Telefon (089)883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsult Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121)562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult TELETYPE CORPORATION Campe, W.T. 1-4 5555, Touhy Avenue Skokie, Illinois, USA Patentansprüche

1. Schrittschaltmotor mit einem Rotor, einem Stator und einer Vielzahl von individuellen Phasenwicklungsgruppen in Verbindung mit einer Einrichtung zur Erregung jeder Phasenwicklungsgruppe in einer vorbestimmten Reihenfolge zum Weiterschalten des Motors,
gekennzeichnet durch eine Einrichtung (66, 18) zum Verändern der Erregungsstärke der Phasenwicklungsgruppen (20), um das Drehmoment des Motors zu ändern.

2. Schrittschaltmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Treiberverstärker (A bis D) für jede Phasenwicklungsgruppe vorgesehen ist, und daß die Einrichtung zum Verändern der Erregungsstärke eine Einrichtung (66) zur Lieferung von Impulsen mit variablem Tastverhältnis an die Treiberverstärker besitzt.

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3. Schrittschaltmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse im wesentlichen gleichförmige Frequenz oberhalb des menschlichen Hörbereichs besitzen.

4. Schrittschaltmotor nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (22), die den in jeder individuellen Phasenwicklungsgruppe fließenden elektrischen Strom zwischen den Impulsen mit variablem Tastverhältnis wenigstens teilweise mittelt.

5. Schrittschaltmotor nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (24, 26) zur selektiven Herabsetzung der Mittelwertbildung.

6. Schrittschaltmotor nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (22) zur Begrenzung der impulsförmigen Sperrspannung, die eine Phasenwicklungsgruppe während eines Übergangs von einer Einschalt-Zeitspanne zu einer Ausschalt-Zeitspanne an den Ausgang eines Treiberverstärkers anlegt, und eine Einrichtung (24, 26) zur Änderung der Spannungsgrenze zwischen denjenigen Zeitabschnitten, zu welchen die Treiberverstärker in der vorbestimmten Reihenfolge erregt werden, und denjenigen Zeitabschnitten,

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zu welchen ein Treiberverstärker erregt wird, um den Rotor in einer festen Lage zu halten.

7. Schrittschaltmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (66, 14) zur Änderung der Erregungsstärke der Phasenwicklungsgruppen (20) auf die Drehgeschwindigkeit des Rotors anspricht, um die Erregungsstärke als Funktion der Drehgeschwindigkeit zu verändern.

8. Schrittschaltmotor nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (34, 36, 38) zur Erzeugung einer Vielzahl von Wellenimpulsen, die in gleichem Abstand mit Bezug auf die Winkellage des Rotors (30) und innerhalb jedes Schrittes der Rotordrehung angeordnet sind, eine Einrichtung (42) zur Erzeugung von Taktimpulsen und eine Einrichtung (44), die die zwischen aufeinander folgenden Wellenimpulsen erzeugten Taktimpulse zählt, wobei die Einrichtung (66) zum Verändern der Erregungsstärke unter Ansprechen auf den Zählwert die Erregungsstärke der Phasenwicklungsgruppen (20) ändert.

9. Schrittschaltmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung einer Vielzahl von

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Wellenimpulsen eine optische Scheibe (34), die drehfest auf dem Rotor (30) angeordnet ist und abwechselnd lichtundurchlässige und transparente Bereiche besitzt, sowie eine Einrichtung zur Beleuchtung der Scheibe (36) und einen Photodetektor (38) aufweist, der die Stärke des durch die Scheibe übertragenen Lichtes abfühlt.

10. Schrittschaltmotor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähleinrichtung einen Binärzähler (44) aufweist, der einen Zähleingang, einen Rückstelleingang und eine Vielzahl von Ausgängen besitzt, daß der Zähleingang mit der Einrichtung (42) zur Erzeugung von Taktimpulsen verbunden ist, und daß der Rückstelleingang an die Einrichtung (34, 36, 38) zur Erzeugung einer Vielzahl von Wellenimpulsen angeschaltet ist.

11. Schrittschaltmotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Speicherregister (54) zur Speicherung des durch den Binärzähler (44) erreichten Zählwertes vorgesehen ist, und daß das Speicherregister (54) eine Vielzahl von mit den Ausgängen des Binärzählers verbundenen Eingängen und einen Einstelleingang aufweist, der mit der Einrichtung (34, 36, 38) zur Erzeugung einer Vielzahl von Wellenimpulsen verbunden ist.

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12. Schrittschaltmotor nach Anspruch 10 oder 11,
gekennzeichnet durch

einen Code-Wandler (58) zur Umwandlung des Ausgangssignals des Binärzählers (44) in eine codierte Darstellung eines Leistungsstärkesignals, das an die Treiberverstärker (A bis D) anzulegen ist, um die den einzelnen Phasenwicklungsgruppen (20) zuzuführende Stromstärke zu steuern.

13. Verfahren zum Betreiben eines Schrittschaltmotors mit
einem Rotor, einem Stator und einer Vielzahl von individuellen Phasenwicklungsgruppen, die je individuell in
einer vorbestimmten Reihenfolge zum Weiterschalten des
Motors erregt werden,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Erregungsstärke der Phasenwicklungsgruppen (20)

verändert wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,

daß eine Folge von Tastimpulsen mit einer Frequenz oberhalb des menschlichen Hörbereiches erzeugt wird, daß die Folge von Tastimpulsen die Erregung der Phasenwicklungsgruppen steuert, und daß das Drehmoment des Motors durch Verändern des Tastverhältnisses der Tastimpulse geändert wird.

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15. Verfahren nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, daß die Drehung des Rotors (30) in Teileinheitsschritten gemessen wird, die je ein Bruchteil eines Rotationsschrittes sind, durch Messen der Zeit, die der Rotor benötigt, um jeden Teileinheitsschritt zu durchlaufen und durch Steuern jedes Treiberverstärkers derart, daß er der ihm zugeordneten Phasenwicklungsgruppe einen elektrischen Strom zuführt, dessen Stärke sich mit der gemessenen Zeit ändert.

16. Verfahren nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitmessung die Erzeugung von Taktimpulsen umfasst, deren Periode klein mit Bezug auf die erwartete Zeit ist, die der Rotor zum Durchlaufen jedes Teileinheitsschrittes benötigt, sowie Zählen der Anzahl von Taktimpulsen, die während jedes Teileinheitsschrittes des Rotors erzeugt werden.

17. Verfahren nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Treiberverstärker eine digitale Umwandlung der während jeden Teileinheitsschrittes gezählten Taktimpulse in ein Stromstärken-Steuersignal umfasst.

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