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Verfah rn zum Positionieren einer . n«=niochen Vorrichtung auf
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eine ;.#rmierposition und Anordnung zur Durchfuhrung des Verfahrens
Gegenstand der Erfindung ist gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 ein Verfahren
zum Positionieren einer mechanischen Vorrichtung in eine Grundstellung oder Normierposition
und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
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Derartige Verfahren sind zumeist dort notwendig, wo mechanische Anordnungen,
die Bewegungen im Raum ausführen, mit elektrischen bzw. elektronischen Steuerungen
zusammenwirken, um nach dem Einschalten dieser Steuerungen eine Synchronisation
mit den mechanischen Teilen zu erreichen.
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Es sind bereits eine Vielzahl von, als Grundstellungsläufe oder Einschaltroutinen
bezeichnende, Verfahren bekannt, die den im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten
Zweck erfüllen.
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Am gebräuchlichsten sind Verfahren, die Schaltkontakte, z. B. in der
Form von Enschaltern als Grundstellungsgeber verwenden. Bei derartigen Anordnungen
wird die mechanische Vorrichtung so lange in Richtung auf den Endschalter bewegt,
bis durch dessen Schaltkontakt ein Schaltvorgang ausgelöst wird, der zu einer Synchronisation
von mechanischen Teilen und Steuerung führt. Die Endschalter können dabei mechanisch
auslösbare Schalter oder auch durch Magnete auslösbare Reedkontakte sein, wie sie
z.B. in der DE-OS 20 59 154 Anwendung finden.
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Ein anderes sehr häufig angewendetes Verfahren setzt, wie in der DE-AS
20 26 004 gezeigt, zum Abfühlen der Grundstellung Lichtschranken
ein,
die je nach Ausführurlg durch t)nLerbrechung des Lichtweges vom Sender zum Empfänger
oder durch lierstellen eines Lichtweges vom Sender zum Empfänger mit Hilfe eines
reflektierenden Teiles ein Kriterium für das Erreichen der Grundposition liefern
und so eine Synchronisation von mechanischen Teilen und elektronischer Steuerung
veranlassen.
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Nachteilig bei diesen bekannten Verfahren ist insbesondere, daß die
Grund- oder Normierposition mit relativ teueren Bauteilen, wie Endschaltern, Reedkontakten
oder Lichtschranken abgefühli wird, die zudem bei der Montage genau eingestellt
und evtl. in regelmäßigen -Abständen nachjustiert werden müssen. Ein weiterer erheblicher
Nachteil liegt in der durch Verschleiß und Verschmutzung beeinträchtigten Funktionssicherheit.
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Als weitere Möglichkeit zur Auffindung einer Normierposition ist es
bekannt, bei der Verwendung von Gleichstrommotoren für den Antrieh der mechanischen
Vorrichtung, diese gegen einen festen Anschlag zu führen, wobei während des Grundstellungslaufes
der den Wicklungen des Gleichstrommotors zugeführte Strom gemessen wird. Erreicht
die mechanische Anordnung den Anschlag, wird der Gleicn3trommotor blockiert, dabei
tritt in dessen Wicklung eine Stromspitze auf, die erfaßt wird und als Kriterium
für die Grundstellung dient.
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Dieses Verfahren ist für Schrittmotoren nicht einsetzbar, da beim
Blockieren des Schrittmotors ein meßbarer Stromanstieg nicht stattfindet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Schaltung
zur Durchführting des Verfahrens anzugeben, um es unter Vermeidung der genannten
Nachteile zu ermöglichen, eine entlang einer
Strecke um eine beliebige
Anzahl von Grundteilungen dieser Strecke beweglichen mechanischen Vorrichtung auf
eine Grund- oder Normierposition zu positionieren, wobei beim Erreichen dieser Position
die Steuerung des die mechanische Vorrichtung bewegenden Schrittmotors in einen
Ausgangszustand gesetzt wird.
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Gelöst wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches
1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die mit dem im Patentanspruch 1 gekennzeichneten erfindungsgemäßen
Verfahren erzielten Vorteile sind in erster Linie darin zu sehen, dclß trotz Verwendung
eines Schrittmotors auf den Einsatz teuerer Bauteile, wie Schalter oder Lichtschranken,
verzichtet werden kann, wodurch auch die damit verbundenen Justagearbeiten entfallen.
Auf diese Weise wird eine erhebliche Kosteneinsparung erreicht. Als weiterer Vorteil
ist anzuführen, daß die GeFahr einer fehlerhaften Funktion durch äußere Einflüsse,
wie Schmutz, Verschleiß, Temperaturschwankungen usw., nicht mehr gegeben ist.
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Die in den Unteransprüchen 2, 4, 7 und 8 gekennzeichneten Maßnahmen
ermöglichen es, daß, wie aus der Beschreibung zu Fig. 2 ersichtlich, eine sehr einfache
Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens verwendet werden kann.
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Durch die Merkmale des Unteranspruches 5 werden evtl. Prellvorgänge
am Anschlag, die eine unkontrollierte Bewegung der mechanischen Vorrichtung verursachen,
ausgeglichen.
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Im Unteranspruch 6 ist ein Verfahrensschritt gekennzeichnet, der es
erlaubt, bei grober Einstellung des Anschlages, an den die mechanische Vorrichtung
anschlagt, eine Normierpostition durch das Ausgeben eines
vorgewählten
Bestromungsmusters zu definieren. Dies bedeutet, daß der Anschlag nicht exakt auf
die Normierposition justiert sein muß, sondern sich, abhängig vom verwendeten Motor,
in einem bestimmten Bereich befinclell kanal, was zur Lir0Sp#iLurig an Pcineri Justagearbeiten
führt.
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Eine sehr einfache Möglichkeit, die in die Wicklungen des Schrittmotors
induzierte Spannung|abzufühlen, ist mit der im Unteranspruch 9 gekennzeichneten
Schaltung gegeben, welche sich dadurch auszeichnet, daß sie nur wenige Bauteile
umfaßt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Zuhilfenahme
der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische DarsteAlung
der Anordnung eines Typen-@rägerwagens in einer Schreibmaschine und Fig. 2 ein Schaltbild.
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Als Anwendungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren wurde der
Grundstellungslauf eines Typenträgerwaqens einer Schreibmaschine gewählt, der von
einem Schrittmotor angetrieben wird.
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Fig. 1 zeigt einen Typenträgerwagen 1, der fest mit einem Riemen 2
verbunden ist, welcher über zwei Umlenkrollen 3,4 führt. Die Umlenkrolle 4 ist mit
einem Schrittmotor 5 verbunden, der von einer Motoransteuereinheit 6 angesteuert
wird, die ihrerseits über die Leitungen 7,8,20 mit der den Bewegungsablauf des Typenträgerwagens
1 steuernden Steuereinheit 9 verbunden ist. Befindet sich der Typenträgerwagen l
in der Normierposition NP, so berührt eine an ihm angebrachte Nase 10 einen gestellfesten
Anschlag 11.
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Um den entlang der Schreibwalze 12 beweglichen Typenträgerwagen 1,
der sich vor dem Einschalten in einer beliebigen Position befindet,
naoh
dem Linsctlalten gezielt pclsiiiunicicrl zu könnerl, wird zunächst ein Grundstellungslauf
eingeleitet.
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Durch Bestromung der Wicklungen 16-19 des den Typenträgerwagen 1 antreibenden
Schrittmotors 5 mit einem vorgewählten Bestromungsmuster wird der Rotor gegenüber
dem Stator in eine Stellung gezogen, die dem Bestromungsmuster entspricht und von
der durch sequentielle Bestromung mit einer sich ständig wiederholenden Folge von
Bestromungsmustern eine schrittweise Bewegung des Rotors des Schrittmotors 5 und
damit des Typenträgerwagens 1 in Richtung A erfolgt.
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Die sich ständig wiederholende Folge von Bestromungsmustern, die die
Drehrichtung des Motors 5 festlegt, wird dabei von der Steuereinheit 9, welche einen
Mikrocomputer beinhaltet, über Leitungen 8, 20 an die Motoranstruereinheit 6 gegeben,
diese verstärkt die Signale und steuert damit den Motor 5 an.
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Erreicht der sich in Richtung A bewegende Typenträgerwagen 1 die Normierposition
NP, so schlägt dessen Nase 10 an den gestellfesten Anschlag 11 an, wodurch die Bewegung
beendet wird.
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Das Verfahren zur Erkennung der Normierposition NP beruht darauf,
daß ein freilaufender Schrittmotor 5 die Perrrranentmagnete seines Rotors an den
Wicklungen 16-19 des Stators vorbeibewegt und so in diese eine Spannung induziert.
Wird die Bewegung des Rotors durch den Anschlag 11, an den die Nase 10 des Typenträgerwagens
anschlägt, blockiert, so fehlt die induzierte Spannung. Dieser Umstand wird erfaßt
und liefert ein Kriterium dafür, daß die Normierposition NP erreicht ist. Die Vorrichtung
15 zur Erfassung der induzierten Spannung gibt beim Fehlen derselben ein Signal
auf die Leitung 7, das von der Steuerschaltung 9 abgefragt und derart ausgewertet
wird, daß sie a) die Bestromung des Schrittmotors 5 unterbricht;
b)
das zuletzt ausgegebene und abgespeicherte Bestromungsmuster, oder evtl. auch das
nächstfolgende Bestromungsmuster mindestens einmal ausgibt, um Prellvorgänge am
Anschlag auszugleichen; c) alle Speicher und Register, die eine Information über
die Position des Typenträgerwagens relativ zum Anschlag 11 beinhalten, auf einen
Ausgangswert setzt.
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Da in den seltensten Fällen der durch den Anschlag 11 gebildete mechanische
Rand mit dem linken Schreib rand 14 auf dem zu beschreibenden Papier 13 zusammenfällt,
erfolgt noch eine schrittweise Bewegung des Typenträgerwagens 1 von der Normierposition
NP weg, entgegen der Richtung A, bis zum vorgewählten Rand 14. Bei der Ansteuerung
des Schrittmotors 5 wird dabei von dem Bestromungsmuster ausgegangen, das bei Erkennung
der Normierposition NP anlag und abgespeichert wurde.
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Die neue Position des Typenträgerwagens 1 sowie das zuletzt ausgegebene
Bestromungsmuster werden in den erwähnten Speichern bzw. Registern abgespeichert
und dienen für die weiter~ Bewegung als Ausgangswerte.
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Abwei.hen~ vom beschriebenen Ausführungsbeispiel kann auch, nachdem
der Anschlag 11 durch die Steuereinheit 9 erkannt wurde, von dieser ein Bestromungsmuster
ausgegeben werden, das z. B. in einem ROM in der Steuereinheit 9 festgelegt ist.
Der Rotor des Schrittmotors 5 und damit der Typenträgerwagen 1 stellen sich dann
bei geeigneter, vom verwendeten Schrittmotor abhängigen Einstellung des Anschlages
11 auf eine Position ein, die als Normierposition NP definiert wird.
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Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die in die Motorwicklungen induzierte
Spannung abzufühlen bzw. deren Fehlen festzustellen.
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@ine dieser Möglichkeiten soll im @olgenden unter Zuhiffenahme Zuhiffenahme
Fig. 2 beispielsweise beschrieben werden.
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Fig. 2 zeigt ein Prinzipschaltbild, das den Motor 5, die Motoransteuereinheit
6, die Schaltung 15 zur Erkennung des Fehlens der in die Statorwicklungen induzierten
Spannung sowie die Steuereinheit 9 enthält.
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Wie im Schaltbild zu sehen, wird der Schrittmotor 5 mit den Wicklungen
16,17,18,19 von der Motoransteuereinheit 6 in unipolarer Ansteuerungs art unter
Verwendung zweier Spannungen UB, UH angesteuert. Die Erregung der Wicklungen 15-19
erfolgt dabei für jeden Motorschritt zuerst mit der hohen Spannung UB und dann mit
der niedrigen Haltespannung UH über den Vorwiderstand 26 und die Diode 27. Gesteuert
wird dieser Umschaltvorgang durch die Steuereinheit 9, die über Leitung 20 den Transistoren
21 steuert.
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Welche Teilwicklungen 16,17,18,19 des Schrittmotors erregt werden,
bestimmt die Steuereinheit 9 durch die über Leitungen an die Transistoren 22,23,24,25
angelegten Bestromungsmuster.
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Im ersten Teil eines Motorschrittes wird über Transistor 21 die Spannung
U8 z. B. an die Wicklungen 16 und 19 gelegt, die durch die Steuereinheit 9 ausgewählt
und über die Transistoren 22 und 25 angesteuert sind. Es stellt sich dadurch an
Punkt 29 eine Spannung U29 ein, die um den Spannungsabfall an Transistor 21 geringer
ist, als die Spannung UB. An Punkt 28 liegt eine Spannung U28, die um den Spannungsabfall
am Widerstand 26 kleiner ist als UH. Da die Spannung U29 an Punkt 29 größer ist
als die Spannung U28 an Punkt 28, sperrt die Diode 27. An Punkt 30 liegt gleichzeitig
eine Spannung U30, die vom Ladezustand des Kondensators 31 abhängt, welcher von
der Spannunq RUTIL, die viel kleiner ist als die Spannungen Uß und UH,
über
den Widerstand 32 aufgeladen wird. Die durch den Widerstand 32 bestimmte Ladezeit
des Kondensators 31 ist dabei viel größer als die Zeit, die durch einen Motorschritt
beansprucht wird.
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Da die Spannung U30 an Punkt 30 kleiner ist als die Spannung U29,
sperrt die Diode 34. Dadurch, daß die Spannung U28viel größer ist als die Spannung
U30 an Punkt 30, schalten die Transistoren 35 und 36 durch. Am Punkt 37 liegt dann
eine Spannung U37, die einer 0 in z. B. TTL-Logik entspricht. Zu diesem Zeitpunkt
erfolgt jedoch keine Abfrage dieses Spannungswertes durch die Steuereinheit 9 über
die Leitung 7.
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Wird durcir Sperren des Transititors 21 die zweite Bestrumungsphase
mit der Spannung UH eingeleitet, so bricht die Spannung U29 an Punkt 29 auf einen
Spannungswert zusammen, der kleiner ist als die Spannung 28, wodurch die Diode 27
leitend wird. Daraufhin stellt sich an Punkt 29 eine Spannung U29 ein, die durch
den Spannungsteiler, bestehend aus dem Widerstand 26 und der Diode 27 bzw. aus den
Wicklungen 16 und 19 und den Transistoren 22 und 25, festgelegt ist. Bei geeigneter
Bauteilewahl ist die Spannung U29 niedriger als die Spannung U30 am Punkt 30, dadurch
wird die Diode 34 leitend. Die Ladung des Kondensators 31 kann somit über den Widerstand
33, die Diode 34, die Wicklungen 16 und 19 sowie die Transistoren 22 und 25 auf
Masse abfließen. Das Abfließen der Ladung hält so lange an, bis die Spannung U30
einen Wert erreicht hat, der um den Spannungsabfall am Widerstand 33 und die Durchlaßspannung
der Diode 34 höher ist als die Spannung U29 an Punkt 29.
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In dem Moment, in dem die Diode 27 leitend wird, bricht die Spannung
U28 an Punkt 28 auf einen Wert zusammen, der ungefähr der Spannung U30 an Punkt
30 entspricht, dadurch werden die Transistoren 35 und 36 gesperrt.
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Von diesem Punkt an müssen die Verhältnisse in der Schaltung 15 für
den freilaufenden Motor und den blockierten Motor getrennt beachtet werden.
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Bei freilaufendem Motor wird durch die Permanentmagnete des Schrittmotors,
der sich noch in Richtung seiner Raststellung dreht, eine Spannung in seine Wicklungen
16-19 induziert, die bewirkt, daß die Spannung U29 ansteigt. Daraufhin sperrt die
Diode 34 wieder, so daß der Kondensator 31 über den Widerstand 32 von der Spannung
UTTL erneut aufgeladen wird. Da diese Aufladung sehr langsam erfolgt, wird die Spannung
U30 an Punkt 30 praktisch gespeichert, während sich die Spannung U29 an Punkt 29
rasch erhöht. Mit der Spannung U29 erhöht sich auch die um die Durchleßspannung
der Diode 27 höhere Spannung U28 an Punkt 28, die zum Zeitpunkt des Sperrens der
Diode 34 etwa den gleichen Wert hatte wie die Spannung U30 an Punkt 30.
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Steigt die Spannung U28 an Punkt 28, um die Schaltspannung des Transistors
35 über die Spannung U30 an Punkt 30, so schaltet der Transistor 35 durch und damit
der Transistor 36, so daß an Punkt 37 eine Spannung U37 anlegt, die einer 0 in z.
B. TTL-Logik entspricht.
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Dieser Logik-Pegel wird gegen Ende der Bestromunqszeit für den beschriebenen
Motorschritt von der Steuereinheit 9 über die Leitung 7 abgefragt.
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Bei blockiertem Motor kann die Spannung U29 an Punkt 29 nicht mehr
ansteigen, da keine Drehung des Rotors im Schrittmotor und damit keine Spannungsinduktion
erfolgt. Die Transistoren 35,36 bleiben aus diesem Grund gesperrt, so daß am Punkt
37 eine Spannung U37 anregt, die einer 1 in z. B. TTL-Logik entspricht.
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Dieser Logik-Pegel wird ebenfalls gegen Ende der Bestromungszeit des
beschriebenen Motorschrittes von der Steuereinheit 9 abgefragt.'
Erkennt
die Steuereinheit 9 bei ihrer Ab frage die logische 1 an Punkt 37, so werden die
zur Fig. 1 beschriebenen Steuerschritte eingeleitet, die der Erkennung der Normierposition
NP folgen.
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Wie aus der vorangegangenen Beschreibung hervorgeht, ist durch das
erfindungsgemäße Verfahren die Möglichkeit gegeben, eine mechanische Vorrichtung,
die von einem Schrittmotor angetrieben wird, auf eine Normierposition zu positionieren,
ohne daß teuere mechanische Bauteile, wie Schalter oder Lichtschranken eingesetzt
werden müssen.