DE3132304C2 - Verfahren zum Verringern des Energieverbrauchs des Schrittschaltmotors in einem elektronischen Uhrwerk und elektronisches Uhrwerk, bei dem das Verfahren angewandt wird - Google Patents

Abstract

Das Verfahren gemäß der Erfindung besteht darin, während des Anliegens eines Antriebsimpulses an der Antriebsspule des Schrittschaltmotors die magnetische Induktionsflußänderung im Stator des Motors zu messen und den Antriebsimpuls abzubrechen, sobald diese Flußänderung einen vorgegebenen Wert erreicht. Die Messung der Flußänderung kann insbesondere dadurch erfolgen, daß man den Strom in der Antriebsspule erfaßt und die Differenz zwischen der Speisespannung der Antriebsspule und dem Produkt aus Strom und Gleichstromwiderstand der Spule integriert oder indem man eine Hilfswicklung vorsieht und die in dieser induzierte Spannung integriert.

Description

15

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verringern des Energieverbrauchs des Schrhtschaltmotors in einem elektronischen Uhrwerk. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein elektronisches Uhrwerk, bei dem das Verfahren anwendbar ist

In einem elektronischen Uhrwerk mit einem Schrittschaltmotor zum Antrieb der Anzeigeorgane wird der größte Teil der Energie, die von einer elektrischen Speisequelle, im allgemeinen einer Batterie, geliefert wird, von dem Motor verbraucht Es ist demgemäß wichtig, so weit als irgend möglich, den Verbrauch dieses Motors zu verringern, um die Lebensdauer der Batterie zu erhöhen oder, um bei vorgegebener Lebensdauer das VoIumen der Batterie verkleinern zu können.

Bei der Mehrzahl der gegenwärtig gebauten Uhrwerke empfängt der Motor über einen Erregerkreis Antriebsimpulse eines Impulsformerschaltkreises, der mit Tieffrequenzsignalen von einem Frequenzteilerschaltkreis gespeist wird, welcher einem Oszillator zugeordnet ist, der seinerseits die Zeitbasis darstellt Die Dauer dieser Impulse ist festgelegt und gewählt, um eine sichere Funktion des Motors zu gewährleisten, selbst unter den ungünstigsten Bedingungen, niedrige Batteriespannung, Antrieb des Kalendermechanismus, Stöße, usw. Der Motor wird demgemäß während des überwiegenden Betriebszeitraums übergespeist

Man kann den Energieverbrauch des Motors deutlich verringern, indem man die Energie der Antriebsimpulse an seine augenblickliche Belastung und an die Speisespannung anpaßt.

Eine bekannte Lösung besteht darin, einen Impulsformerkreis vorzusehen, welcher in der Lage ist, Impulse unterschiedlicher Dauer zu erzeugen sowie eine Einrichtung vorzusehen, die die Drehung oder das Fehlen der Drehung des Motors erfaßt. Die Dauer der dem Motor zugeführten Antriebsimpulse wird progressiv verringert, bis ein nicht ausgeführter Schritt festgestellt wird. Ein Aufholimpuls wird dann zum Motor übertragen, und die Energie der normalen Antriebsimpulse wird festgelegt auf einen höheren Wert. Dieser Wert wird nun während einer bestimmten Zeitdauer aufrechterhalten. Wenn der Motor während dieser Periode normal umgelaufen ist, wird erneut die Dauer der ImpüiS6 Verringert.

ijipic SOiCiic i_iu5üFig cfiäüui iuC'fii eine

dauernde und schnelle Anpassung der Antriebsimpulse an die Belastung des Motors. Darüber hinaus ist die Anpassung langsam, und die Zufuhr von Aufholimpulsen im Falle fehlender Drehung bewirkt, daß der Energieverbrauch höher ist als erforderlich.

Bekannt sind ferner Steuerschaltkreise für Schrittschaltmotoren mit Einrichtungen zum Erfassen der Drehung des Rotors während des Anlegens der Antriebsimpulse und zum Unterbrechen dieser Impulse, sobald der Rotor seinen Schritt ausgeführt hat, oder mehr oder weniger um einen Teilbetrag sich gedreht hat, oder eine Geschwindigkeit erreicht hat, die hinreicht, um den Schritt zu durchlaufen.

Beispielweise wird in der US-PS 35 00 103 die Drehung des beweglichen Organs des Motors mittels der Spannung erfaßt, die in einer Detektorspule induziert wird, und man unterbricht den Antriebsimpuls, sobald das bewegliche Organ entweder eine bestimmte Position oder eine bestimmte Geschwindigkeit erreicht hat Um jedoch seinen Schritt vollständig zu durchlaufen, muß der Rotor am Ende des Antriebsimpulses sich in einer bestimmten Stellung befinden und eine bestimmte Geschwindigkeit erreicht haben. Es gibt demgemäß für die Unterbrechung des Antriebsimpulses Bedingungen bezüglich Position, Geschwindigkeit und Motormoment Wenn nur eine einzige der Bedingungen berücksichtigt wird, wird der Funktionsbereich des Motors beschränkt oder, umgekehrt, wenn die berücksichtigte Bedingung nicht notwendig ist, ist dies nachteilig für den Verbrauch im Regelungssystem. Die in dieser Druckschrift vorgeschlagenen Lösungen erlauben demgemäß nicht, die Antriebsimpulsdauer in Abhängigkeit von der Belastung und von der Speisespannung des Motors zu optimieren.

Die Lösungen, welche in der US-PS 38 55 781 vorgeschlagen werden, wonach die Position des Rotors erfaßt wird durch Messung der induzierten Spannung in einer Hilfswicklung oder eine Spannung erfaßt wird, erzeugt durch die Deformation eines piezoelektrischen Elementes beim Übergang von Zähnen eines Rades des Räderwerks, das von dem Motor angetrieben wird, weisen die gleichen Nachteile auf.

Ferner beschreibt die US-PS 41 14 364 eine Regelschaltung für die Antriebsimpulsdauer entsprechend der Motorbelastung, wobei die Schaltung Mittel umfaßt zum Erfassen des Stromes in der Steuerspule sowie Mittel zum Unterbrechen des Impulses, sobald dieser Strom einen Wert erreicht gleich dem Verhältnis zwischen der Speisespannung der Spule und ihrem Gleichstromwiderstand, d. h. sobald der Rotor seinen Schritt beendet hat Es wird auch die Möglichkeit vorgesehen, den Lmpuls zu unterbrechen, bevor der Strom diesen Wert erreicht hat Auch hier wird nur eine Bedingung bezüglich der Position für die Regelung ausgewertet

Während die vorgenannten Druckschriften entweder die augenblickliche Winkellage des Rotors, seine Augenblicksgeschwindigkeit oder das aufzubringende Lastmoment als Kriterium verwenden, werden alle drei Kriterien bei der Lösung gemäß DE-OS 24 09 925 berücksichtigt. Hierfür wird die Veränderung des Stromes in der Statorwicklung des Motors erfaßt, und der Antriebsimpuls wird unterbrochen, wenn dieser Strom ein Minimum durchläuft, was einem Maximum der induzierten Spannung entspricht. Der Verlauf des Stromes kann jedoch so sein, daß sich gar kein erfaßbares Minimum ergibt, was die Anordnung unwirksam macht. Außerdem wird in dieser Druckschrift vorausgesetzt, daß die Klemmenspannung der Spcisespannungsqueiie konstant ist; unter dieser Voraussetzung erfolgt tatsächlich eine Optimierung bezüglich des Lastmoments. Bei Änderung der Batteriespannung hingegen ist dies nicht mehr der Fall. Ferner muß die Schaltung jeweils gesondert auf die unterschiedliche Nominalspannungen der üblichen Batterien (1,35 V, 1,55 V oder 3,0 V) hin ausgelegt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es demgemäß, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, das heißt eines, bei dem eine Optimierung des Energieverbrauchs sowohl hinsichtlich der Belastung als auch hinsichtlich der Klemmenspannung erfolgt.

Die Lösung der Erfindung ergibt sich durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1; die Ansprüche 2 bis 4 definieren bevorzugte Ausgestaltungen.

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektronisches Uhrwerk, bei dem das Verfahren zum Einsatz kommt, und das die in Anspruch 5 genannten Merkmale aufweist.

Im einzelnen wird der Gegenstand der Erfindung nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert, welche Ausführungsbeispiele darstellen.

F i g. 1 ist eine schematische Schnittdarstellung eines Schrittschaltmotors, wie er häufig in elektronischen Uhrwerken eingesetzt wird.

F i g. 2a, 2b, 2c sind Kurven, die über der Zeit den Strom in der Motorsteuerspule bzw. die Differenz zwischen der Spannung an den Klemmen der Steuerspule und dem Produkt aus Gleichstromwiderstand der Spule und dem sie durchfließenden Strom wiedergibt, bzw. die Veränderung des magnetischen Induktionsflusses in dem Stator.

F i g. 3 ist ein Diagramm zur Darstellung der Veränderung des Minimalflusses, der erforderlich ist für den Antrieb des Rotors sowie zur Darstellung der Veränderung des Maximalflusses, die erreicht wird, sobald der Rotor das erste Mal seine Gleichgewichtsposition durchläuft in Abhängigkeit von der angelegten Spannung an der Steuerspule eines Motors, wie er in F i g. 1 dargestellt ist

Fig.4 ist das Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform des elektronischen Schaltkreises für ein Uhrwerk gemäß der Erfindung.

F i g. 5 ist ein Diagramm zur Darstellung der Signale, die an verschiedenen Punkten der Schaltung gemäß F i g. 4 erscheinen und

F i g. 6 ist das Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform des elektronischen Schaltkreises für ein Uhrwerk gemäß der Erfindung.

F i g. 1 zeigt schematisch einen Schrittschaltmotor, wie er häufig in elektronischen Uhrwerken verwendet wird. Es handelt sich um einen Motor mit zwei stabilen Positionen, welcher bipolare Antriebsimpulse benötigt

Der Motor umfaßt einen Stator 1, bestehend aus zwei Polstücken 2, 3, weiche durch ein Joch 4 hoher magnetischer Permeabilität verbunden sind, um das die Steuerspule 5 gewickelt ist Ferner umfaßt der Motor einen Rotor 6, gebildet von einem Permanentmagneten.

Der Rotor 6 läuft immer in gleicher Richtung um Winkel von 180° um, jedes Mal dann, wenn ein Antriebsspannungsimpuls an die Klemmen a und b der Spule 5 angelegt wird. Die Impulse, welche der Motor periodisch empfängt, sind von alternierender Polarität

Fig.2a zeigt die Veränderung des Stromes /in der Steuerspule 5 in Abhängigkeit von der Zeit sobald ein Antriebsimpuls an den Motor angelegt wird Sobald der Rotor 6 dreht wird in der Spule 5 eine Gegen-EMK induziert Aus diesem Grunde wird der Strom i, der zunächst ansteigt nach einem bestimmten Zeitablauf abfallen, um danach wieder anzusteigen. Sobald der Rotor 6 das erste Mal durch eine stabile Gleichgewichtsposition geht um 180° gegenüber jener versetzt, die er im Augenblick des Anlegens des Antriebsimpulses eingenommen hatte, ist der Strom gleich io = V/R, worin V die Speisespannung ist und R der Gleichstromwiderstand der Spule. Nachdem der Strom diesen Wert i₀ erreicht hat, pendelt der Strom um diesen Wert, bis der Rotor sich in der Ruheposition stabilisiert hat.

Die entsprechende Veränderung der Größe V-Ri, d. h. mit entsprechendem Vorzeichen die induzierte Spannung in der Steuerspule ist in F i g. 2b dargestellt.

Fig.2c zeigt den Verlauf, in Abhängigkeit von der Zeit, des Produktes aus der Veränderung des magnetischen Induktionsflusses ΔΦ in dem Joch 4 der Steuerspule, und der Anzahl N der Wicklungen dieser Spule. Der Wert dieser Größe, die einen Augenblick t aufweist ist gleich

ι ι

[φ = [(V-Ri)H = -j ed/

und steigt progressiv an und geht durch ein erstes Maximum ΝΛΦη,Μ- sobald der Strom /den Wert i₀ erreicht.

Damit der Schrittschaltmotor richtig arbeitet, ist Voraussetzung, daß die Veränderung des Flusses einen bestimmten Wert ΔΦπύη erreicht, der abhängt von der Belastung des Motors, jedoch auch, wie F i g. 3 zeigt, in sehr geringem Maße von der Speisespannung.

Man kann demgemäß die Dauer des Antriebsimpulses automatisch an die Motorbelastung und an seine Speisespannung anpassen, indem man die Veränderung des Flusses in dem Joch der Spule mißt, ausgehend von dem Zeitpunkt, wo der Antriebsimpuls angelegt wird und durch Unterbrechen dieses Impulses, sobald diese Veränderung des Flusses einen vorgegebenen Wert erreicht

Der vorgegebene Wert wird gewählt zwischen den Werten ΔΦπ,ίπ und ΔΦπ,_3χ derart, daß man einen optimalen Kompromiß erhält zwischen dem verwertbaren Antriebsmoment, das von dem Motor für den Antrieb der Anzeigeorgane geliefert werden kann und seinem Verbrauch und um eine sichere Funktion des Motors innerhalb eines weiten Speisespannungsbereichs sicher zu stellen.

Dieser vorgegebene Wert kann beispielsweise gewählt werden zwischen etwa 75° des Wertes ΔΦπ,_1χ entsprechend Speisespannungen in der Größenordnung von 1,5 oder 2 V.

Die Bestimmung des Wertes der Induktionsflußveränderung kann dadurch erfolgen, daß man die in der Steuerspule selbst oder in einer Erfassungsspule, die auf dem Motor vorgesehen wird, induzierte Spannung integriert Eine Lösung zum Bestimmen der Induktionsflußänderung, ausgehend von der induzierten Spannung in der Steuerspule besteht darin, daß man den Strom in der Spule während des Anlegens des Antriebsimpulses erfaßt und die Differenz V-Ri integriert

Fig.4 zeigt eine Ausführungsform des elektronischen Schaltkreises eines Uhrwerks gemäß der Erfindung, wobei man den Wert der Induktionsflußveränderung mißt indem man den Strom / in der Steuerspule 5 erfaßt und das Integral der Differenz V-Ri berechnet

Ein Oszillator U liefert ein Standardfrequenzsignal, beispielsweise etwa 32 kHz, an einen Frequenzteilerkreis 12, bestehend aus einer Serie von kaskadegeschalteten Flip-Flops, die an den Ausgang ein Signal mit einer Frequenz von 1 Hz liefern. Dieses Niederfrequenzsignal wird zu einem ersten Eingang 13i eines Steuerimpulsgeneratorkreises 13 übertragen. Dieser Schaltkreis 13 ist so ausgebildet, daß er an seinen Ausgängen 132 und 133 Impulse erzeugt deren Beginn und Ende festgelegt sind

durch das vom Frequenzteilerkreis kommende Signal bzw. durch das Auftreten, an seinem zweiten Eingang 134, eines Signals, das von einem Steuerkreis 20 herrührt. Der Schaltkreis 13, der nicht im einzelnen erläutert wird, kann einen Pulsformerkreis umfassen, der Steuerimpulse hinreichender Dauer von beispielsweise 7,8 Millisekunden erzeugt, um die Funktion des Motors unter den ungünstigsten Betriebsbedingungen sicher zu stellen. Er kann ferner einen, beispielsweise aus Flip-Flops und NICHT-U N D-Gattern bestehenden Kreis umfassen, zum Unterbrechen dieser Impulse, sobald ein Signal vom Steuerkreis 20 am Eingang 134 anliegt.

Der Steuerkreis, der im einzelnen nachfolgend erläutert wird, berechnet das Integral der Differenz V-Ri und liefert an seinen Ausgang ein Unterbrechersignal für den Steuerimpuls des Motors, sobald der Wert des Integrals einen vorgegebenen Wert erreicht

Die an den Ausgängen 132 und I33 des Kreises 13 erscheinenden Signale, die jeweils eine Periode von 2 Sekunden aufweisen und die um eine Sekunde zueinander phasenverschoben sind, werden an den Steuerkreis 14 angelegt, der mit dem Pulsgeneratorkreis 13 den Motorspeisekreis bildet. Dieser Steuerkreis 14 besteht in herkömmlicher Weise aus zwei Invertern 15,16, deren Eingänge mit den Ausgängen 13₂ und 13₃ des Pulsgeneratorkreises 13 verbunden sind und deren Ausgänge an die Klemmen a und b der Steuerspule 5 des Motors angeschlossen sind.

Die Sources der MOS-Transistoren mit P-Kanal 15i und I61, verbunden mit der positiven Klemme der Gleichspannungsversorgungsquelle (nicht dargestellt) mit der das Uhrwerk bestückt ist, liegen auf Potential + V, während diejenigen der N-Kanal MOS-Transitoren 152 und I62, angeschlossen an die negative Klemme dieser Quelle, auf Potential 0 liegen.

Solange kein Steuerimpuls an den Ausgängen 132 und 133 erscheint, die demgemäß auf Logikpegel 0 liegen, sind die Transistoren ISi und 16j leitend, während die Transitoren 152 und I62 gesperrt sind und die Spule 5 praktisch kurzgeschlossen ist Sobald ein Signal am Ausgang 132 erscheint, sperrt der Transistor ISi, während der Transistor 15₂ leitend wird; ein Strom /fließt demgemäß in die Steuerspule 5 und der Motor beginnt zu drehen. Wenn der Ausgang 132 wieder auf 0 gelangt, beim Erscheinen eines Unterbrechungssignals für den Antriebsimpuls am Eingang 134 des Kreises 13, sperrt der Transistor 152, der Transistor 15i wird wieder leitend und der Antriebsimpuls wird unterbrochen. Das gleiche spielt sich ab für die Transistoren 16₍ und 16₂, gesteuert von dem Signal am Ausgang I33, mit einem Strom entgegengesetzter Richtung in der Spule 5.

Der Schaltkreis 20 umfaßt einen Rechnerkreis 30, dessen einer Eingang 3Oi über einen elektronischen Umschalter 21, gesteuert vom Signal, das am Ausgang 133 des Impulsgeneratorkreises 13 erscheint, entweder mit dem Ausgang des Inverters 16 verbunden wird, sobald die Transistoren 15) und I62 leitend sind oder mit demjenigen des Inverters 15, sobald die Transistoren I61 und 152 leitend werden. Dieser Umschalter 21 könnte natürlich von dem Signal gesteuert werden, das am Ausgang 132 erscheint anstelle des am Ausgang Π3 erscheinenden. Ein anderer Eingang 3O₂ des Kreises 30 ist mit der positiven Klemme der Versorgungsspannungsquel-Ie verbunden.

Dieser Rechnerkreis 30, der im einzelnen nachfolgend erläutert wird, berechnet den Wert des Integrals der Differenz V-RJ und liefert an den Ausgang 3O3 eine Spannung, die für diesen Wert repräsentativ ist Der Steuerkreis 20 umfaßt ferner einen Schaltkreis 50 zum Erzeugen einer Bezugsspannung entsprechend dem vorgegebenen Wert der Induktionsflußveränderung, für den der Antriebsspannungsimpuls unterbrochen werden muß. Dieser Schaltkreis 50 kann beispielsweise einen Spannungsteiler umfassen, der zwischen die Klemmen der Speisespannungsquelle gelegt ist oder eine Z-Diode. Die Ausgänge des Rechnerkreises 30 und des Schaltkreises 50 sind jeweils verbunden mit den invertierenden bzw. den nichtinvertierenden Eingängen eines Komparatorkreises 60. Sobald die Ausgangsspannung des Rechnerkreises 30 den Wert der Bezugsspannung erreicht oder übersteigt, ändert sich der Logikpegel am Ausgang des Komparatorkreises 60. Dieses Signal, übertragen zum Eingang 134 des Kreises 13, steuert die Unterbrechung des Antriebsspannungsimpuises, der an der Motorspule 5 anliegt.

Der Rechnerkreis 30 umfaßt einen Integrierkreis 31, welcher einen Operationsverstärker 32 aufweist, dessen nichtinvertierender Eingang an Masse liegt, d. h. an der negativen Klemme der Versorgungsspannungsquelle sowie eine Kapazität 33, die zwischen den invertierenden Eingang und den Ausgang des Operationsverstärkers gelegt ist, welcher Ausgang gleichzeitig den Ausgang 3O3 des Rechnerkreises bildet Ein elektronischer Schalter 34, parallel zur Kapazität 33, ermöglicht die Entladung der letzteren, wenn der Schalter geschlossen wird.

Der Rechnerkreis umfaßt darüberhinaus zwei Kapa-Zitaten 35 und 36 sowie drei elektronische Umschalter 37, 38 und 39. Diese Umschalter, die in der Zeichnung symbolisch dargestellt sind, werden von MOS-Transistoren gebildet Der Umschalter 37 erlaubt das Anschalten der Kapazität 35, deren einer Anschluß an Masse liegt, entweder an den Eingang 3Oi des Rechnerkreises oder an den invertierenden Eingang des Integratorkreises 31, während die Umschalter 38 und 39 es ermöglichen, die Kapazität 36 entweder zwischen Masse und den Eingang des Integratorkreises zu legen oder zwisehen den Eingang 3O2 des Rechnerkreises und Masse.

Ein Schaltkreis 40 ist einerseits mit einer Anzapfung des Frequenzteilerkreises 12 verbunden, zum Abnehmen eines Signals hoher Frequenz, beispielsweise 16 kHz und andererseits mit dem Impulsgeneratorkreis 13, beispielsweise dessen Ausgängen 132 und 133, wie dies in der Zeichnung dargestellt ist. Der Schaltkreis 40 kombiniert die an seinen Eingängen 40i, 4O2 und 4O3 anliegenden Signale, um einerseits an seinen Ausgang 4O4 ein Befehlssignal für den Schalter 34 zu übertragen derart, daß dieser Schalter während der Dauer eines Antriebsimpulses geöffnet bleibt und während des Restes der Zeit geschlossen wird und andererseits, um gleichzeitig zu den drei Umschaltern 37, 38, 39, die an seinen Ausgang 4O5 angeschlossen sind, das periodische Signal hoher Frequenz zu übertragen, das der Schaltkreis 40 vom Teilerkreis 12 empfängt, zwischen dem Zeitpunkt, wo ein Antriebsimpuls am Motor anliegt und jenem Zeitpunkt, zu dem dieser Impuls abgebrochen wird. Dieser Schaltkreis 40 kann beispielsweise von einem ODER-Gatter gebildet sein, dessen Eingänge und dessen Ausgang die Eingänge 4O2,4O3, bzw. Ausgang 4O4 bildet sowie einem UND-Gatter, dessen Eingang mit dem Ausgang des ODER-Gatters verbunden ist und dessen anderer Eingang mit dem Frequenzteilerkreis verbunden ist, während der Ausgang dieses UND-Gatters den Ausgang 4O₅ des Schaltkreises darstellt Der Schalter 34 bleibt während der Zeit geschlossen, während welcher kein Antriebsimpuls an der Motorspule 5

9 10

anliegt und es wäre daher möglich, dauernd die Um- ν

schalter 37,38,39 zu betätigen, indem man an die direkt Q₃ = ^ C₂V- C₁ Kij.

das Hochfrequenzsignal anlegt. Eine solche Lösung j-\

würde jedoch den Energieverbrauch der Schaltung ver- ~" "

großem. Für die Erläuterung der Funktion des Rechner- 5

kreises 30, die nachfolgend wiedergegeben wird, soll auf Die Spannung am Ausgang des Integrierkreises 31 ist

das Diagramm gemäß F i g. 5 Bezug genommen werden, demgemäß in dem die folgenden Größen dargestellt sind.

— A: Der an der Motorspule anliegende Antriebs- io V_s

impuls;

— B: Die Sättigungsspannung des leitenden Transi

stors 15₂ bzw. 16₂, je nach der Polarität des Da man für das Steuersignal der Umschalter 37,38,39

Antriebsimpulses; mit Bedacht eine sehr hohe Frequenz wählt (16 kHz),

— C: Das periodische Signal hoher Frequenz zum 15 kann man die Kapazitäten Ci, C₂ und C3 derart bemes-

Steuern der Umschalter 37,38,39; sen, daß die Spannung Vs praktisch gleich dem Integral

— D: Die Spannung an den Klemmen der Kapazität der Differenz V-Ä/wird.

35; Die Schaltung gemäß Fig.4 ist ohne weiteres in

— E: Die Spannung an den Klemmen der Kapazität MOS-Technologie integrierbar. Auf demselben Chip

36 und 20 werden die Verhältnisse ihrer Oberflächen, welche ih-

— F: Die Spannung am Ausgang des Integrierkrei- rerseits ohne weiteres konstruierbar sind.

ses31. Darüber hinaus sind auf ein-und-demselben Chip die

Widerstandskennwerte der MOS-Transistoren sehr na-

Aus Gründen der Deutlichkeit wurde in dem Dia- he beieinander. Der Proportionalitätsfaktor K ist demgramm die Periode des Steuersignals für die Umschalter 25 gemäß praktisch derselbe für die Transistoren 15₂ und erheblich übertrieben. 16₂.

Sobald an der Motorspule 5 ein Antriebsimpuls ange- Die F i g. 6 zeigt eine zweite Ausführungsform, die für

legt wird, gelangt die Sättigungsspannung des leitenden den elektronischen Schaltkreis des Uhrwerks gemäß Transistors 15₂ oder 16₂ an den Eingang 3Oi des Rech- der Erfindung möglich ist, wobei die Messung der Innerkreises 30 über den Umschalter 21. Diese Spannung 30 duktionsflußveränderung dadurch erfolgt, daß die in eiist in jedem Zeitpunkt proportional dem Strom / in der ner Detektorspule induzierte Spannung erfaßt wird.
Spule. Das Joch 4 (Fig. 1) trägt demgemäß zusätzlich zur

Von dem Zeitpunkt an, wo der Antriebsimpuls an die Antriebsspule 5 eine Hilfswicklung mit N Windungen. Spule angelegt wird, erscheint das Signal hoher Fre- die in F i g. 1 nicht dargestellt ist und die als Meßspule quenz an dem Ausgang 4O5 des Schaltkreises 40 und 35 dient.

betätigt gleichzeitig die Umschalter 37,38,39. Solange Die Schaltung gemäß F i g. 6 umfaßt einen Oszillator

diese Umschalter die in ausgezogenen Linien in der 11, einen Frequenzteiler 12, einen Speisekreis 13,14 für Zeichnung dargestellten Positionen einnehmen, lädt sich den Motor, identisch mit denen nach F i g. 4, und einen die Kapazität 35 auf die Eingangsspannung des Rech- Steuerkreis 70.

nerkreises auf, während die Kapazität 36, die sich wäh- 40 Der Steuerkreis 70 umfaßt einen Meßschaltkreis mit rend der vorangehenden Halbperiode des Hochfre- der Meßspule 71 und einen Integrierkreis 72, über desquenzsignals, während der die Umschalter die gestri- sen Eingang die Spule 71 gelegt ist und der in üblicher chelt angedeuteten Stellungen eingenommen hatten, auf Weise aus einem Operationsverstärker 73, einer Kapadie Speisespannung V aufgeladen hatte, sich nun in die zität 74 parallel zu einem Unterbrecher 76 zwischen Kapazität 33 entlädt unter Inversion des Vorzeichens 45 Ausgang und invertierendem Eingang des Verstärkers der Ladung. Sobald die Umschalter in die gestrichelt und einem Serienwiderstand 75 besteht Der Schalter 76 angedeutete Position umschalten, entlädt sich die Kapa- wird über ein ODER-Gatter 77 gesteuert von den Sizität 35 in die Kapazität 33, während die Kapazität 36 gnalen an den Ausgängen 13₂ und 133 des Schaltkreises sich erneut mit der Spannung Vauflädt 13 derart, daß der Schalter während des Anlegens der

Die Ladung, die während des j-ten Zyklus des Hoch- 50 Antriebsimpulse an die Motorspule 5 offen ist und wähfrequenzsteuersignals von der Kapazität 35 akkumuliert rend der restlichen Zeit geschlossen. Die in die Meßspuworden ist, ist gegeben durch Ie 71 induzierte Spannung ist alternierend positiv und

negativ entsprechend der Polarität der Antriebsimpulse,

Qij — C\Kij und deshalb werden hier für den Vergleich der Aus-

55 gangsspannung des Integrators A mit der Bezugsspan-

worin Ci den Wert der Kapazität 35 bezeichnet, K die nung Vref zwei Komparatoren 78 und 79 vorgesehen. Proportionalitätskonstante zwischen der Sättigungs- Der invertierende Eingang des Komparators 78 und der spannung des einen oder anderen Transistors 15₂ nicht invertierende Eingang des Komparators 79 sind bzw.l6₂ und dem Strom, der ihn durchfließt, während / mit dem Ausgang des Integrators 72 verbunden,
den Wert des Stromes in der Spule angibt im Augen- 60 Der nicht invertierende Eingang des Komparators 78, blick dieses y-ten Zyklus. Die von der Kapazität 36 mit verbunden mit einem ersten Ausgang eines Bezugsdem Wert C₂ akkumulierte Ladung bleibt Spannungsgenerators liegt auf einem positiven Potential

+ Vref, während der invertierende Eingang des Kom-

Q2 = C₂V parators 79, angeschlossen an einen zweiten Ausgang

65 des Kreises 80, der beispielsweise Spannungsteiler ent-

Am Ende von N Zyklen wird die von der Kapazität 33 hält, auf einem Potential — Vref liegt. Die Ausgänge der mit dem Wert C3 akkumulierte Ladung beiden Komparatoren sind mit den Eingängen eines

UND-Gatters 81 verbunden, dessen Ausgang mit dem

Eingang 134 des Steuerimpulsgeneratorkreises 13 verbunden ist.

Solange demgemäß die Ausgangsspannung des Integrators 72 hinsichtlich ihres Absolutwertes niedriger bleibt als die Bezugsspannung, liegt der Ausgang des UND-Gatters auf Logikpegel 1. Sobald diese Ausgangsspannung größer wird als + Vref oder kleiner als + Vref, springt der Ausgang des UND-Gatters 81 auf Logikpegel 0, was zum Abbrechen des Antriebsimpulses führt. Man könnte auch nur einen einzigen Komparaior und einen einzigen Bezugsspannungsgenerator vorsehen, um nur eine positive Spannung zu liefern, indem man einen Gleichrichter vorsieht, der ein gleichgerichtetes Meßsignal erzeugt und der zwischen Spule 71 und Integrator 72 anzuordnen wäre.

Die Schaltung nach F i g. 6 weist bestimmte Vorteile gegenüber der Schaltung nach F i g. 4 auf; sie erlaubt es, von der Regulierung der Größen der Verhältnisse zwischen den Kapazitäten Q, Ci, Cz freizukommen, um den Widerstand der Antriebsspule zu simulieren; darüberhinaus ist die Funktion der Schaltung nach F i g. 6 praktisch unempfindlich gegenüber Temperaturänderungen, im Gegensatz zu dem vorher beschriebenen Schaltkreis, wo man den Strom in der Antriebsspule über die Sättigungsspannung eines Transistors zu erfassen versuchte. Dagegen fordert die Schaltung nach F i g. 6 das Vorsehen von Eingangsklemmen auf dem integrierten Schaltkreis, die mit der Meßspule 71 zu verbinden sind.

Die Erfindung ist natürlich nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt Zum Beispiel ist es möglich, den Bezugsspannungsgenerator und den oder die Komparatorkreise zu ersetzen durch Schwellenschaltungen, insbesondere mit MOS-Transistoren.

Ferner wurde der Schrittschaltmotor mit zwei stabilen Positionen, der von bipolaren Impulsen angetrieben wird, nur als Beispiel verwendet. Das Verfahren gemäß der Erfindung läßt sich natürlich auch bei anderen Typen von Motoren verwenden, mit denen ein elektronisches Uhrwerk ausgerüstet sein kann. Die Schaltkreise, die oben beschrieben wurden, können ohne weiteres an den Typ des verwendeten Motors angepaßt werden. Wenn es sich beispielsweise um einen Motor handelt, der von Impulsen gleicher Polarität angesteuert wird, und der nur in einer einzigen Richtung umläuft, wird der Impulsgeneratorkreis 13 an einen einzigen Ausgang ein Signal der Frequenz 1 Hz liefern, das an die Steuerelektrode eines Transistors anzulegen wäre, der in Serie mit der Antriebsspule zwischen die Klemmen der Versorgungsspannung geschaltet ist. Man könnte auch den Strom in der Spule erfassen, indem man die Spannung zwischen Drain und Source dieses Transistors erfaßt oder an den Klemmen eines Widerstandes geringer Größe, relativ zu der Spule 5, und in Serie geschaltet mit der Spule und dem Transistor. Diese Steuerimpulse könnten direkt an den Umschalter 37 angelegt werden, und der Schaltkreis 40 würde auf ein UND-Gatter beschränkt sein, dessen Eingänge an den Anzapfausgang des Frequenzteilers 12 und an den Ausgang des Kreises 13 gelegt wären. Der Bezugsspannungsgeneratorkreis 50 würde eine für den Motortyp brauchbare Spannung liefern müssen.

Hinsichtlich der Schaltung nach F i g. 6 wäre die Anpassung noch einfacher. Man würde den Schaltkreis 13 in gleicher Weise wie für die Fig.4 abwandeln und Ensprechendes gälte für den Steuerkreis 14, der dann nur noch einen Transistor in Serie mit der Antriebsspule 5 umfaßt. Hinsichtlich des Steuerkreises 70 wäre das Gatter 77 wegzulassen und die Befehlsimpulse des Kreises 13 wären direkt an den Unterbrecher 76 anzulegen. Es gibt dann nur noch einen einzigen Komparator, an dessen einem Eingang die Bezugsspannung läge, geliefert von dem Bezugsspannungserzeuger 80. Ein weiterer Vorteil der Schaltung nach F i g. 6 gegenüber F i g. 4 ist zu erwähnen: Die Bezugsspannung kann fest sein. Man kann nämlich die Anzahl der Windungen der Meßspule 71 an jeden Motortyp anpassen, um die gewünschte Flußänderung zu erhalten, bei der der Antriebsimpuls abgebrochen werden muß.

Schließlich ist es auch möglich, die Induktionsflußmessung im Stator dadurch vorzunehmen, daß man die Antriebsspannungsimpulse, die an der Antriebsspule liegen, zerhackt, so daß diese Spule alternierend von Impulsen hoher Frequenz gespeist wird, bzw. einen offenen Kreis darstellt, wobei man die Spannung über den Klemmen der Spule erfaßt, wenn diese den offenen Kreis bildet, und diese Spannung integriert

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Verringern des Energieverbrauchs eines in ein elektronisches Uhrwerk eingebauten Schrittschaltmotors durch automatische Anpassung der Breite der Antriebsspannungsimpulse, die dem Motor zugeführt werden, an seine Belastung und an seine Speisespannung, wobei der Motor mindestens eine Antriebsspule, einen Stator und einen Rotor umfaßt, der um einen bestimmten Winkel gedreht wird, sobald ein Antriebsspannungsimpuls an die Antriebsspule angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß während jedes Antriebsspannungsimpulses die Veränderung des magnetischen Induktionsflusses in dem Stator gegenüber dem Wert zum Zeitpunkt bei Beginn des Impulses gemessen wird und daß der Antriebsspannungsimpuls beendet wird, sobald die Flußänderung einen vorgegebenen Wert erreicht

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene Wert der Flußänderung zwischen einem Minimalwert, erforderlich zum Drehenlassen des Rotors, und einem Maximalwert bemessen wird, der erreicht wird, sobald der Rotor den vorgegebenen Winkel durchlaufen hat

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Induktionsflußänderung im Stator durch Erfassen des Stromes in der Antriebsspule und Integrieren der Differenz zwischen der Speisespannung des Motors und dem Produkt dieses Stromes mit dem Gleichstromwiderstand der Antriebsspule gemessen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Meßspule vorgesehen wird und daß die Induktionsflußänderung durch Integration der in der Meßspule induzierten Spannung gemessen wird.

5. Elektronisches Uhrwerk mit einem Oszillator zum Erzeugen eines Standardfrequenzsignals, mit einem Frequenzteilerschaltkreis, der an den Oszillator angekoppelt ist zum Erzeugen eines Zeitsignals niedriger Frequenz, mit einem Schrittschaltmotor, der mindestens eine Antriebsspule, einen Stator und einen Rotor umfaßt, mit einem Speisekreis zum Erzeugen und periodischen Anlegen von Antriebsspannungsimpulsen an die Antriebsspule in Abhängigkeit von dem Zeitsignal und mit einer Steuereinrichtung zum Steuern des Speisekreises derart, daß automatisch die Breite der Impulse an die Belastung des Motors und die Speisespannung angepaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung eine Meßeinrichtung umfaßt zum Messen, während jedes Impulses der Antriebspannung, der Veränderung des magnetischen Induktionsflusses im Stator gegenüber seinem Wert zum Zeitpunkt bei Beginn des Impulses und zum Erzeugen eines Meßsignals, das den Wert dieser Flußänderung repräsentiert, sowie Schaltkreise umfaßt, an denen das Meßsignal anliegt zum Erzeugen eines Unterbrechungssignals für rjpn Αϋίπ?1?55^η£ΐηπυη^σ!Π!^ηϋ!£ und Anlegen diese* Unterbrechungssignals an den Speisekreis, sobald die Flußänderung einen vorgegebenen Wert erreicht.

6. Elektronisches Uhrwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erzeugen des Unterbrechungssignals für den Antriebsspannungsimpuls Schaltkreise umfaßt zum Erzeugen eines Bezugssignals entsprechend dem vorgegebenen Wert der Flußänderung, sowie Schaltkreise zum Vergleichen des Meßsignals mit dem Bezugssignal.

7. Elektronisches Uhrwerk nach Ansruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene Wert zwischen einem Minimalwert der Flußänderung, notwendig zum Drehenlassen des Rotors, und einem Maximalwert liegt, der erreicht wird, sobald der Rotor den vorgegebenen Winkel durchlaufen hat

8. Elektronisches Uhrwerk nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung einen Strommeßkreis umfaßt zum Bestimmen des in der Antriebsspule fließenden Stroms, sowie einen Rechnerschaltkreis umfaßt der an einen ersten Eingang, angekoppelt an den Meßschaltkreis, eine Spannung proportional diesem Strom erhält, sowie an einem zweiten Eingang die Speisespannung des Motors zum Berechnen des Integrals der Differenz zwischen der Speisespannung und dem Produkt aus dem Strom und dem Gleichstromwiderstand der Antriebsspule.

9. Elektronisches Uhrwerk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechnerschaltkreis umfaßt:

— eine erste und eine zweite Kapazität

— einen Integrierschaltkreis mit einer dritten Kapazität und einem elektronischen Schalter, der über die Klemmen der dritten Kapazität gelegt ist

— einen elektronischen Umschalter zum Verbinden der ersten Kapazität mit dem ersten Eingang des Rechnerschaltkreises oder mit dem Eingang des Integrierkreises,

— einen zweiten elektronischen Umschalter zum Verbinden der zweiten Kapazität mit dem zweiten Eingang des Rechnerkreises oder mit dem Eingang des Integrierkreises und

— einen an den Speisekreis und an den Frequenzteilerkreis angekoppelten Schaltkreis, der einerseits für die Steuerung des öffnens des elektronischen Schalters während der Dauer jedes Antriebsspannungsimpulses und zum Schließen dieses Schalters zwischen zwei dieser Impulse ausgebildet ist und andererseits zum Steuern, mindestens während der Dauer jedes Antriebsspannungsimpulses, des ersten und des zweiten Umschalters ausgebildet ist durch ein periodisches Signal hoher Frequenz derart, daß die ersten und zweiten Kapazitäten sich, alternierend mit der Frequenz des Hochfrequenzsignals, auf eine Spannung proportional dem Strom in der Antriebsspule bzw. die Speisespannung der Antriebsspule aufladen und sich alternierend in die dritte Kapazität entladen, und daß die Ladungen, die von der ersten und zweiten Kapazität in die dritte Kapazität übertragen werden, entgegengesetztes Vorzeichen aufweisen.

10. Elektronisches Uhrwerk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung proportional dem Strom in der Antriebsspule, angelegt an den ersten Eingang des Rechnerkreises, die Sättigungsspannung eines Transistors ist, der in Serie mit der Antriebsspule geschaltet ist.

ϊ 1. Elektronisches Uhrwerk nach Anspruch 10, bei dem der Schrittschaltmotor ein Motor mit zwei stabilen Positionen ist, an dessen Antriebsspule Antriebsspannungsimpulse alternierender Polarität über zwei Inverter anlegbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß der in Serie mit der Antriebsspule geschaltete Transistor der leitende Transistor eines der Inverter ist

12. Elektronisches Uhrwerk nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung ίο eine mit dem Stator gekoppelte Meßspule und einen Integrierschaltkreis zum Integrieren der in der Meßspule induzierten Spannung umfaßt