DE3204943C2

DE3204943C2 - Steuereinrichtung für einen in beiden Richtungen laufenden Motor

Info

Publication number: DE3204943C2
Application number: DE3204943A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Koide
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1981-02-12
Filing date: 1982-02-12
Publication date: 1994-08-04
Anticipated expiration: 2002-02-13
Also published as: DE3204943A1; US4591767A

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung für einen in beiden Richtungen laufenden Motor nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine derartige Steuereinrichtung für einen in beiden Rich tungen laufenden Motor ist aus der JP-Patentanmeldung 54 35 312 bekannt. Diese bekannte Steuereinrichtung umfaßt eine PLL(Phase-Locked-Loop)-Schaltung, auch Phasenregelkreis genannt, ein Schleifenfilter und eine Steuerschaltung für den Antrieb des Motors, ferner eine Auswahlschaltung für den Startbetrieb des Motors oder für eine Regelung auf konstante Drehzahl. Es ist ferner auch ein Generator zur Erzeugung von Bezugsimpulsen vorhanden, deren Periode einer definierten Drehzahl entspricht. Mit Hilfe eines rotierenden Kodierers werden Impulse erzeugt, die synchron zur Drehzahl des Motors sind. Zur Darstellung der sich ergebenden Phasendifferenz ist ein Phasenkomparator vorhanden für den Vergleich der Phasen der Bezugsimpulse und der zur Drehzahl synchronen Impulse. Schließlich ist zwischen dem Phasenkomparator und dem Schlei fenfilter eine Schaltungsanordnung zwischengeschaltet zur Erzeugung einer der Phasendifferenz entsprechenden Spannungs impulsfolge, die bei einer Phasendifferenz "Null" den Span nungswert "Null" hat.

Bei dieser bekannten Steuereinrichtung wird vom Ausgang des Schleifenfilters in dem Phasenregelkreis bei Regelung auf konstante Drehzahl Energie zur Erzeugung eines Dreh moments, welches die Reibungskräfte des angetriebenen Systems überwindet, das heißt des Drehmomentes, das der Last entge genwirkt, an den Motor angelegt. Der Phasenregelkreis muß deshalb die Phasendifferenz zwischen zwei Eingangssignalen aufrechterhalten, was zur Erzeugung dieser Energie erforder lich ist; außerdem muß der Phasenregelkreis einen relativ ho hen Schleifenverstärkungsfaktor haben. Ein relativ hoher Ver stärkungsfaktor führt jedoch zu starken Schwankungen der Re gelspannung, so daß die Erzielung der angestrebten konstanten Geschwindigkeit problematisch ist. Außerdem tritt bei der Regelung auf konstante Geschwindigkeit die folgende Schwie rigkeit auf: damit bei dieser Betriebsart der Motor phasenstarr werden kann, obwohl der Phasenregelkreis während des Startens des Motors vom Motor getrennt ist, muß das Ausgangssignal des Schleifenfilters des Phasenregelkreises auf einem Spannungs pegel gehalten werden, der der Regelung auf konstante Drehzahl zugeordnet ist. Zu diesem Zweck ist eine re lativ aufwendige Rückkopplungsschaltung vorgesehen.

Darüber hinaus enthält diese bekannte Steuereinrichtung keine Energiequelle, die einen Kompensationsstrom liefern kann, der das Ausgangssignal des Schleifenfilters etwa auf die Spannung "Null" bringt. Schließlich werden bei dieser bekannten Steuereinrichtung dann, wenn mehrere gewünschte Drehzahlen des Motors vorgesehen sind, komplizierte Einrichtungen erforderlich, da nämlich genau an diese verschiedenen Drehzahlen angepaßte Spannungen für den Phasenregelkreis erzeugt werden müssen und über eine Wählschaltung die der jeweiligen Drehzahl entsprechende Spannung ausgewählt werden muß.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine Steuereinrichtung der angegebenen Gattung zur Verfügung zu stellen, welche, ohne auf eine festgelegte Drehzahl Rücksicht nehmen zu müssen, mit möglichst geringem Aufwand von dem Startbetrieb auf den Betrieb mit einer Regelung auf konstante Drehzahl umgeschaltet werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Steuereinrichtung erfindungsgemäß durch die im Kennzeich nungsteil des Patentanspruches 1 aufgeführten Merkmale ge löst.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei spielen unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Steuereinrichtung mit einem hin- und herbewegenden Antriebsmotor mit Merkmalen nach der Erfindung;

Fig. 2 eine ins einzelne gehende Schaltung eines Teils der in Fig. 1 dargestellten Steuereinrichtung;

Fig. 3 ein Zeitdiagramm, das Eingänge und Ausgänge eines Phasenkomparators und einer Schaltungsanordnung zeigt;

Fig. 4 eine Ausführungsform einer schaltenden Ser voverstärkerschaltung, die in der Steuereinrichtung der Fig. 1 vorgesehen ist;

Fig. 5 eine Ausführungsform eines ebenfalls in der Steuereinrichtung der Fig. 1 vorgesehenen monostabilen Mul tivibrators;

Fig. 6 eine Kurve, in welcher eine Arbeitsweise der Steuereinrichtung wiedergegeben ist, und

Fig. 7 eine verbesserte Ausführungsform der in Fig. 4 dargestellten Servoverstärkerschaltung.

In Fig. 1 steuert eine Steuereinrichtung einen Motor 10, der beispielsweise zum Hin- und Herbewegen eines Wagens eines Ko piergeräts verwendet wird, welcher üblicherweise eine Lampe und Spiegel trägt. Der Wagen hat bezüglich seiner Vorwärts richtung oder bezüglich des Abtasthubes eine Ausgangsstellung vor einem Belichtungsbereich. Wie im einzelnen noch beschrie ben wird, ist ein Photofühler einer Fühleinheit in der Aus gangsstellung angeordnet. Der Wagen wird durch den Motor 10 für einen Vorwärtshub zu dem Belichtungsbereich angetrieben, der bei dessen Ausgangsstellung beginnt, wobei während dieses Zeitabschnitts ein mit dem Motor verbundener rotierender Ko dierer 12 Impulse A erzeugt. Diese Impulse A des Kodierers 12 werden nacheinander von einer Auswahlschaltung 16 gezählt. Wenn die Vorwärtsbewegung eine vorbestimmte Weite oder einen entsprechenden Hub erreicht, wird der Wagen für einen Rück wärtshub über die Ausgangsstellung hinaus angetrieben. Wäh rend einer derartigen Hin- und Herbewegung des Wagens öffnet und schließt die Auswahlschaltung 16 selektiv Schalter SWA′, SWA, SWB, SWC und SWD (siehe Fig. 2 für den Schalter SWD), und schaltet die Ausgangspolarität eines Verstärkers 18, wel cher wahlweise invertierend oder nichtinvertierend betreibbar ist.

Die Steuereinrichtung weist eine PLL(Phase-Locked-Loop)- Schaltung bzw. einen Phasenregelkreis (PLL) auf, welcher einen eine genau festgelegte Drehzahl haltenden und Drehzahl-Bezugsimpulse erzeugenden Generator 20 bis 28 mit einem Impulsoszillator 20, einen Zähler 22, ein Ausgangsverknüp fungsglied 24, ein Register 26 und einen Dekodierer 28 auf weist, und einer Schaltungsanordnung aus einem Phasenkomparator 30, aus einer Schaltungsanordnung 32, einem Schleifenfilter 34 sowie Schaltern SWA′, SWA bis SWC, einem Servoverstärker 36 und dem rotierenden Kodierer 12 gebildet ist. Die Steuereinrichtung weist auch einen analogen Drehzahlregelkreis, nachfolgend analoge Rückkopplungssteuereinheit genannt, auf, die aus einer eine genau festgelegte Drehzahl haltenden und einen analogen Sollwert erzeugenden Schaltung besteht, welche durch den Verstärker 18, einen Digital- Analog-Umsetzer 38 und ein Register 40 gebildet ist, ferner eine analoge Schaltung zur Ermittlung der tatsächlichen Drehzahl, im folgenden analoge Rückkopplungsschaltung genannt, auf, die durch einen Frequenzteilerzähler 42, einen Multiplexer 14, einen Frequenz- Spannungs-Umsetzer 44, einen invertierenden/nichtinvertierenden Verstärker 46, einen Differenzverstärker 48 und ein Regelglied 50 gebildet ist. Der Phasenregelkreis bzw. PLL-Schaltung und die analoge Rückkopplungssteuereinheit werden wahlweise über die Auswahlschaltung 16 durch die Schaltungsanordnung SWA′, SWA bis SWC mit dem Servoverstärker 36 verbunden. Die Steuereinrichtung weist ferner eine Ausgangsstellungs-Steuerschaltung auf, welche aus einer eine Ausgangsstellung feststellenden Einheit 52 mit einem Photofühler und einem Stellglied 54 gebildet ist. Die Ausgangsstellungs-Steuerschaltung wird ebenfalls wahlweise über den Schalter SWB mit dem Servoverstärker 36 verbunden, so daß der Motor 10 betätigt wird, um den Wagen aus einer Rückkehrstellung in die Ausgangsstel lung zu verschieben.

In dem Phasenregelkreis bzw. der PLL-Schaltung enthält das Register 26 Daten, welche eine Drehzahl festlegen. Der Deko dierer 28 formt die Ausgangsdaten des Registers 26 in ein Zählausgangssignal um, welches an das Ausgangsverknüpfungs glied 24 angelegt wird. Der Zähler 22 zählt Ausgangsimpulse des Impulsoszillators 20 (Impulse C), um an seinem Ausgangs anschluß "0" eine Impulsfolge zu erzeugen, deren Dauer die Hälfte der Dauer der Impulse C und deren Tastverhältnis 50% beträgt, ferner an seinem Ausgangsanschluß "1" eine Impuls folge, deren Dauer das Vierfache der Dauer der Impulse C ist, und an seinem Ausgangsanschluß "2" eine Impulsfolge, deren Dauer das Achtfache der Dauer der Impulse C ist, zu erzeugen, d. h. an seinem Ausgangsanschluß "i" erzeugt er eine Impuls folge, deren Dauer das "2ⁱ⁺¹"-fache der Dauer der Impulse C ist. Das Ausgangsverknüpfungsglied 24 versorgt den Phasenkom parator 30 mit Impulsen, die an einem der Ausgangsanschlüsse des Zählers 22 anliegen, der durch einen ausgewählten Ausgang des Dekodierers 28 festgelegt ist, wobei die Impulse als Drehzahlbezugsimpulse R dienen. Andererseits kann der Zähler 22 ein voreinstellbarer Dekrementzähler sein, welcher so aus geführt ist, daß er ein Fremdsignal an einem Voreinstell-An schluß und ein Ausgangssignal des Registers 26 an einem Vor einstell-Eingangsanschluß erhält. Bei dieser Anordnung können das Ausgangsverknüpfungsglied 24 und der Dekodierer 28 ent fallen.

An den Phasenkomparator 30 werden auch Ausgangsimpulse A des rotierenden Kodierers 12 als Impulse V angelegt, welche synchron mit der Drehzahl des Motors 10 sind. Einzelheiten des Phasenkomparators 30, der Schaltungsanordnung 32 und des Schleifenfilters 34 sind in Fig. 2 dargestellt, während die Ein- und Ausgänge des Phasenkomparators 30 und der Schaltungsanordnung 32 in Fig. 3 dargestellt sind. Wie aus Fig. 3 zu ersehen, erzeugt, wenn die Phase der Impulse V, die synchron mit der Motordrehzahl sind, bezüglich der Phase der Bezugsimpulse R des Generators 20-28 verzögert sind, der Phasenkomparator 30 einen Impuls U mit niedrigem Pegel, dessen Dauer einem ganz bestimmten Voreilwert entspricht. Die Schaltungsanordnung 32 ist entsprechend ausgelegt, um eine kon stante Spannung -V_cc mit negativem Pegel, solange der Impuls U einen niedrigen Pegel hat, einen konstanten Spannungspegel +V_cc mit positivem Pegel, solange der Impuls D einen nied rigen Pegel hat, und eine Spannung mit einem Pegel null zu erzeugen, solange die beiden Impulse U und D einen hohen Pe gel haben. Anders ausgedrückt, das Ausgangssignal der Schaltungsanordnung 32 hat im Falle einer Phasenabweichung von null einen Pegel null, wird aber im Falle einer Phasenabweichung in der Nacheil- oder Voreilrichtung positiv oder negativ. Das Schleifenfilter 34 integriert eine Ausgangsspannung der Schaltungsanordnung 32; die integrierte Spannung bleibt auf einem Pegel null, während eine Schaltungsanordnung SWD geschlossen ist. Solange die Schaltungsanordnung SWD offen ist, wird eine Ausgangsspannung LP, die durch Integrieren einer Spannungsimpulsfolge CP der Schaltungsanordnung 32 gegeben ist, von dem Schleifenfilter 34 aus, dem Schalter SWA zugeführt. Diese Ausgangsspannung LP wird an den Servoverstärker 36 angekoppelt, wenn der Schalter SWA ge schlossen ist. Bei einem Steuerbetrieb mit konstanter Dreh zahl bzw. Spannung schließt, wie noch beschrieben wird, die Auswahlschaltung 16 die Schalter SWA′, SWA, SWC, so daß der Servoverstärker 36 mit drei verschiedenen Spannungen ver sorgt werden kann, die einander überlagert oder zueinander addiert sind: nämlich einer Kompensationsspannung Ef, die eine Vorspannung anzeigt, um ein Drehmoment zu erzeugen, das groß genug ist, um Reibungskräfte zu überwinden, eine Aus gangsspannung LP des Schleifenfilters 34 und ein Fehlersignal ERROR. Folglich erhöht die Ausgangsspannung LP des Schleifen filters 34 den Motorstrom, wenn die Impulse V in der Phase bezüglich der Bezugsimpulse R nacheilen, verringert ihn, wenn die Impulse V voreilen, und hält sie auf demselben Pegel, wenn die Impulse V mit den Impulsen R genau in Phase sind.

Die analoge Rückkopplungssteuereinheit hat den folgenden Auf bau. In dieser Ausführungsform wird der Wagen nur von der analogen Rückkopplungssteuereinheit für einen Rückwärtshub mit hoher Drehzahl angetrieben. Der rotierende Kodierer 12 erzeugt Impulse A und B, die synchron zu der Drehbewegung des Motors 10 und um π/2 zueinander in der Phase verschoben sind.

Diese Impulse A und B werden an einen Richtungsdiskriminator 56 angelegt, welcher die Drehrichtung des Motors anhand einer Phasendifferenz zwischen den Impulsen A und B unterscheidet. Der Richtungsdiskriminator 56 erzeugt ein Richtungssignal CW/CLW, welches logisch "0" ist oder einen niedrigen Pegel hat, wenn sich der Motor 10 in Vorwärtsrichtung oder im Uhr zeigersinn dreht, aber eine logische "1" oder hoch ist, wenn er sich in umgekehrter Richtung oder entgegen dem Uhrzeiger sinn dreht. Das Richtungssignal CW/CLW wird zu dem Verstärker 46 und der Auswahlschaltung 16 durchgelassen. Vor einem Vor wärtshub des Wagens gibt die Auswahlschaltung 16 die die Drehzahl festlegenden Daten in die Register 26 und 40, er zeugt am Verstärker 18 einen positiven Ausgang und befiehlt einem Multiplexer 14, die Impulse S zu erzeugen. Bei einer Vorwärtsdrehung des Motors 10 gibt der Richtungsdiskriminator 56 an den Verstärker 46 ein Signal CW/CLW mit niedrigem Pegel ab, um dadurch einen Schalter SWE zu öffnen. Als Ergebnis wird dann eine analoge Spannung oder ein (positives) Soll drehzahlsignal, das den die Geschwindigkeit festlegenden Da ten entspricht, von dem Verstärker 18 an den positiven Ein gangsanschluß des Differenzverstärkers 48 angelegt; eine von einer Frequenz in eine Spannung umgewandelte Spannung oder ein Drehzahlrückkopplungssignal, das durch den Frequenz-Span nungsumsetzer 44 aus den Impulsen A geschaffen ist, wird mit positiver Polarität von dem Verstärker 46 an den negativen Eingangsanschluß des Differenzverstärkers 48 angelegt; ein Signal, das eine Differenz zwischen dem Solldrehzahlsignal und dem Drehzahlrückkopplungssignal anzeigt, wird von dem Differenzverstärker 48 an das Regelglied 50 als ein Fehlersignal ERROR angelegt. Dieses Regelglied 50 weist eine bekannte Übertragungsfunktionsstruktur (z. B. PID) auf, welche ein Überschwingen des Wagens unterdrückt. Das Regelglied 50 legt eine zusammengesetzte Steuerspannung aus einem Fehlersignal ERROR und einem hinsichtlich einem Überschwingen gedämpften Signal über den Schalter SWC an den Servoverstärker 36 an. Die Auswahlschaltung 16 wird vorher mit Daten versorgt, die eine ganz bestimmte Abtast breite anzeigen, um eine Stellung festzulegen, in welcher ein Vorwärtshub des Wagens gestoppt und durch einen Rückwärtshub ersetzt werden soll.

Hierzu ersetzt die Auswahlschaltung 16 die Daten in dem Re gister 40 zu vorbestimmten Zeitpunkten durch die Drehzahl allmählich reduzierende Daten, bevor der Wagen die Stoppstel lung erreicht; und zwar wird dies durch Zählen der Impulse A erreicht, wobei von der Ausgangsstellung an begonnen wird und die Zählergebnisse werden dazu verwendet, die Zeitpunkte festzulegen. Der Wagen wird folglich, wenn er sich der Stopp stellung nähert, stark verzögert. Wenn der Zählstand der Impulse A mit der Zahl übereinstimmt, welche einer gewünsch ten Fahrstrecke entspricht, invertiert die Auswahlschaltung 16 den Verstärker 18, gibt ein logisches Steuersignal "1" an den Multiplexer 14 ab, um einen Impulszählbetrieb mit Fre quenzteilung zu bewirken, und hält die die Rückführdrehzahl angebenden Daten in dem Register 40. Der Strom fließt dann in der entgegengesetzten Richtung durch den Motor 10, wodurch dieser (10) in umgekehrter Richtung angetrieben wird. Dann wird das Ausgangssignal CW/CLW des Richtungsdiskrimina tors 56 logisch "1", wodurch der Schalter SWE des Verstärkers 46 geschlossen wird und ein negativ gerichtetes Ausgangs signal erzeugt wird. Bei einem solchen Rückwärtshub werden die in ihrer Folgefrequenz geleiteten Impulse A (der Ausgang des Zählers 42) dem Frequenz-Spannungs-Umsetzer 44 zugeführt, so daß, vorausgesetzt, daß das Solldrehzahlsignal denselben Pegel hat wie das für den vorherigen Vorwärtshub, die Rückkehrdrehzahl das "n"-fache der Vorwärtsdrehzahl ist (wobei n die Dauer bzw. Periode von Ausgangsimpulsen des Frequenzteilerzählers 42 geteilt durch die Dauer bzw. Periode der Impulse A ist). Die Rückkehrdrehzahl kann natürlich durch die Daten festgelegt werden, die in dem Register 40 während eines Rückwärtshubs gespeichert sind. Da auf jeden Fall die Rückführdrehzahl höher ist als die Vorwärtsdrehzahl ist es für die Auswahlschal tung 16 schwierig, die Impulse A zu zählen und im Verlauf eines Rückwärtshubs eine Zeitsteuerung aufgrund des Zähler gebnisses der Impulse A durchzuführen. Um diese Schwierigkeit zu überwinden, zählt beim Rückwärtshub die Auswahlschaltung 16 in ihrer Folgefrequenz geteilte Impulse und steuert die Zeitsteuervorgänge aufgrund dieses Zählergebnisses. Im ein zelnen ersetzt die Auswahlschaltung 16 bei der Rückführbewe gung die Daten in dem Register 40 durch allmählich reduzierte Daten.

Nunmehr werden die Steuervorgänge für einen Vorwärts- und einen Rückwärtshub des Wagens beschrieben, wobei hauptsäch lich die Arbeitsweise der Auswahlschaltung 16 erläutert wird.

Wenn die Energiequelle angeschaltet wird, schließt die Auswahlschaltung 16 den Schalter SWB und die Schaltungsanordnung SWD, während sie die übrigen Schalter öffnet. An den Servoverstärker 36 wird folglich nur der Ausgang des Stellgliedes 54 angelegt, welcher genauso ausgelegt ist wie das Regelungsglied 50. Das Stellglied 54 erzeugt einen Ausgang, welcher einen vorbestimmten positiven Pegel hat, solange der Photofühler des die Ausgangsstellung feststellenden Stellungsdetektors 52 den Wagen nicht feststellt, fällt aber bei Feststellen des Wagens auf den Pegel null ab. Wenn somit der Wagen aus seiner Ausgangsstellung in der Rückwärtsrichtung verschoben wird, wird der Motor 10 vorwärts angetrieben, bis der Wagen wieder seine Ausgangsstellung erreicht. Wenn der Wagen aus der Aus gangsstellung in der Vorwärtsrichtung verschoben wird, wird der Motor 10 vorwärts angetrieben, so daß der Wagen in der Vorwärtsrichtung bewegt wird, um einen (nicht dargestellten) End- bzw. Grenzwertschalter in der Nähe der Grenzwertstellung zu schließen. Entsprechend diesem Vorgang steuert die Auswahlschaltung 16 die verschiedenen Schalter für einen Rückwärtsbetrieb. Bei dem Rückwärtsbetrieb wird die Bewegung des Wagens in einer Stellung gestoppt, die etwas über die Ausgangsstellung hinaus verschoben ist, worauf dann die Be triebsweise auf einen Bereitschaftsbetrieb geschaltet wird, wenn die Energiequelle angeschaltet worden ist. Bei dem Be reitschaftsbetrieb wird der Motor 10 durch ein Ausgangssignal des Stellgliedes 54 vorwärts angetrieben, um den Wagen in der Ausgangsstellung anzuordnen. Mit Hilfe eines Mikro computers LSI u. ä. hält die Auswahlschaltung 16 entsprechend einem Startsignal die die Drehzahl anzeigenden Daten und die die Vorwärtsbewegungsstrecke anzeigenden Daten, die von außen zugeführt worden sind, lädt die die Drehzahl anzeigenden Daten in das Register 40 und 26, transformiert die die Vor wärtsbewegungsstrecke anzeigenden Daten in einen entsprechen den Zählwert (den Zählwert der Impulse A) und stellt die Schalter entsprechend ein und beginnt Ausgangsimpulse des Multiplexers 14 zu zählen. In der Aufbaustufe eines Vorwärts hubs wird an den Servoverstärker 36 ein zusammengesetztes Signal aus dem Ausgang des Differenzverstärkers 48 und einer Phasenausgleichskomponente angelegt, wodurch der Motor 10 einer analogen Rückkopplungsdrehzahlsteuerung unterzogen wird wodurch ein Überschwingen unterdrückt wird. Die Schaltungsanordnung SWD des Schleifenfilters 34 wird geschlossen, indem der integrierte Ausgang des Schleifenfilters 34 auf den Pegel null eingestellt wird. Zu diesem Zeitpunkt kann dann der Schalter SWA′ geschlossen werden, um dem Motor einen vorbe stimmten Strom zuzuführen, der groß genug ist, um Reibungs kräfte zu überwinden. Wenn die Ausgangsimpulse des Multi plexers 14 (die Impulse A) einen vorbestimmten Zählwert er reichen, ändert die Auswahlschaltung 16 die Stellungen der Schalter auf einen Konstantdrehzahl-Steuerbetrieb. In diesem Steuerbetrieb wird die Schaltungsanordnung SWD des Schleifenfil ters 34 geöffnet, so daß an den Servomotor das kombinierte PLL Steuersignal LP, die Kompensationsspannung Ef und das analoge Rückkopplungs-Fehlersignal ERROR angelegt wird. Während dieser Betriebsweise ist die tatsächliche Motordrehzahl im wesentlichen gleich der Solldrehzahl, und folglich ist der Pegel des analogen Rückkopplungsfehlersignals niedrig, d. h. des PLL Steuersignal LP hat ein Übergewicht, welches eine feine Drehzahlsteuerung durch Anpassen der Phase der Impulse A(V) an die Bezugsimpulse R ermöglicht. Da der integrierte Ausgang des Schleifenfilters 34 zum Zeitpunkt einer Phasenübereinstimmung durch die Schaltungsanordnung SWD auf den Pegel null eingestellt worden ist, und da die tatsächliche Motordrehzahl während der Aufbausteuerung an die Solldrehzahl angenähert ist, kann die Phase gesperrt bzw. synchronisiert werden, wobei die Istdrehzahl genau auf der Solldrehzahl stabilisiert ist.

Wenn der Wert, der den Daten gemäß der Vorwärtsbewegungs strecke entspricht, durch den Zählwert der Impulse erreicht ist, konditioniert die Auswahlschaltung 16 die verschiedenen Schalter für einen Vorwärtshubstopp und ersetzt, zeitlich ge steuert durch den sich ändernden Zählwert der Impulse A nacheinander die Daten in dem Register 40 durch abnehmende Daten (Vorwärtshub-Stoppbetrieb). Als nächstes ändert die Auswahlschaltung 16 die Stellungen der Schalter auf einen Rückwärtsbetrieb, lädt das Register 40 wieder mit den Daten, die beim Start des vorherigen Vorwärtshubs geladen worden sind, und zählt die Ausgangsimpulse des Multiplexers 14 (die Ausgangsimpulse des Zählers 42), welche eine Rückführstrecke genau festlegen, welche 1/n + α der Vorwärtsbewegungsstrecke ist, wobei α einer Strecke entspricht, welche sich der Wagen über die Ausgangsstellung hinaus bewegt (die aus den Aus gangsimpulsen des Zählers 42 berechnet worden ist). Wenn die verbleibende Strecke des Rückwärtshubs einen vorbestimmten Wert erreicht, ändert die Auswahlschaltung 16 nacheinander die Daten in dem Register 40 in abnehmende Daten um (Rück wärtsstoppbetrieb) und konditioniert dann die Schalter für einen Bereitschaftsbetrieb. Zu diesem Zeitpunkt hat sich dann der Wagen über seine Ausgangsstellung hinaus bewegt, so daß der Schalter bewirkt, daß bei dem Übergang von dem Rückführ- auf den Bereitschaftsbetrieb der Motor durch einen (positi ven) Ausgang des Stellgliedes 54 vorwärts angetrieben wird. Wenn der Wagen die Stellung des Photofühlers der die Ausgangsstellung feststellenden Einheit 52 erreicht, fällt der Ausgang des Stellgliedes 54 auf den Pegel null ab, um den Betrieb des Motors 10 zu stoppen.

In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird die ana loge Rückkopplungssteuerung dazu verwendet, der PLL-Motor steuerung beim Aufbau der Drehzahl beim Beginn des Motorbe triebs zu helfen. Die analoge Rückkopplungsschaltung schließt sich auch einer Konstantdrehzahlsteuerung an, um die Steuereinrichtung zu stabilisieren. Jedoch beruht die Kon stantdrehzahlsteuerung im wesentlichen auf der PLL- Steuerung im Hinblick auf die Tatsache, daß das analoge Rück kopplungsfehlersignal sich dem Nullpegel annähert.

Im Phasenregelkreis mit der Schaltungsanordnung 32 fällt bei einer Vollsynchronisierung der Ausgangspegel des Schleifenfilters auf null ab. Im Hin blick hierauf wird bei der beschriebenen Ausführungsform die integrierte Spannung des Schleifenfilters auf null einge stellt, bevor eine Konstantstromsteuerung begonnen wird, so daß die Notwendigkeit einer Änderung der voreingestellten Ausgangsspannung des Schleifenfilters trotz einer Änderung der Solldrehzahl und folglich die Notwendigkeit einer Spannungseinstellschaltung für jede festgelegte Drehzahl entfällt, wobei auch ein Wähler zum Bestimmen einer ganz bestimmten Spannungseinstellschaltung unnötig ist.

Nachstehend werden einige Ausführungsformen des Servoverstär kers (Steuerschaltung) 36 beschrieben, welcher in der oben beschriebenen Motorsteuereinrichtung als Motoransteuerschal tung verwendet ist. In Fig. 4 ist eine schaltende Servover stärkerschaltung dargestellt, in welcher ein in der Kippzeit veränderlicher monostabiler Multivibrator zum Steuern eines Stroms oder einer Spannung verwendet wird, der bzw. die über eine Pulsbreitenmodulation an den Motor angelegt wird. Die Servoverstärkerschaltung der Fig. 4 weist einen Eingangsstu fen-Servoverstärker 60 auf, welcher aus einem Operationsver stärker 62, Eingangswiderständen R₁ und R₂ und einer Reihen schaltung aus einem Widerstand R₃ und einem Kondensator C₁ gebildet ist, welche in der Rückkopplungsschaltung angeordnet ist. An den Servoverstärker 60, welcher ein integrierender Verstärker ist, wird über den Widerstand R₁ ein Servoverstär ker-Steuereingang Sc, welcher eine negative Spannung ist, und über den Widerstand R₂ ein Rückkopplungssignal Sf angelegt, welches eine positive Spannung an einem Widerstand R_d ist, welcher dazu verwendet wird, einen durch den Motor 10 fließenden Strom festzustellen.

Folglich stellt der Servoverstärker 60 die Differenz zwischen den zwei Eingangsspannungen dar. Die Ausgangsspannung des Servoverstärkers 60 wird als eine konstante Spannung CV über einen Widerstand R₄ an einen monostabilen Multivibrator 64 angelegt, wodurch dessen Kippzeit gesteuert wird. Wenn die Ausgangsspannung des Servoverstärkers 60 negativ ist, wird sie durch eine Diode D gesperrt.

Der monostabile Multivibrator 64 wird durch ein impulsför miges Signal T, das von einem Impulsoszillator 66 erzeugt worden ist, mit einer vorbestimmten Periode gesteuert, so daß dessen Ausgang OUT für eine Kippzeit, die der Spannung CV entspricht, auf einem hohen Pegel oder auf "H" verbleibt. Eine Schaltanordnung 68 weist Transistoren Q₁ und Q₂ sowie Widerstände R₅ bis R₈ auf. Nur wenn der Ausgang des monosta bilen Multivibrators 64 einen hohen Pegel hat oder "H" ist, wird der Transistor Q₁ angeschaltet, um den Transistor Q₂ anzuschalten. Entsprechend moduliert dann die Ausgangsspan nung des Servoverstärkers 60 einen Ausgang des monostabilen Multivibrators 64 bezüglich der Impulsbreite und steuert da durch den Strom, der über die Schaltanordnung 68 dem Motor 62 zugeführt wird.

Der monostabile Multivibrator 64 einer derartigen Servover stärkerschaltung kann auch beispielsweise den in Fig. 5 dar gestellten Aufbau haben. In Fig. 5 weist der monostabile Mul tivibrator einen in seiner Gesamtheit mit 70 bezeichneten "555"-Zeitgeber auf. Ein Widerstand R₀ ist zwischen einen Energiequellenanschluß 72 und einen Entladeanschluß 74 ge schaltet, während ein Kondensator C₀ zwischen einen Schwel lenwertanschluß 76 und Erde geschaltet ist. Der Entladean schluß 74 und der Schwellenwertanschluß 76 sind kurzgeschlos sen.

Wie dargestellt, weist der "555"-Zeitgeber 70 einen Schwel lenwertvergleicher 78, einen Triggervergleicher 80, ein Flip- Flop 82, eine Ausgangsschaltung 84 und einen Schalttransistor 86 auf. An den Schwellenwertvergleicher 78 wird eine Bezugs spannung angelegt, welche 2/3 der Quellenspannung V_CC ist, und an den Triggervergleicher 80 wird eine Bezugsspannung an gelegt, welche 1/3 der Quellenspannung V_CC ist, wobei eine Spannungsteilung mittels der Widerstände R₁₁ bis R₁₃ durchge führt wird. Wenn ein Triggerimpuls an den Triggeranschluß 88 angelegt wird, wird der Ausgang OUT hoch oder geht auf einen Pegel "H", und der Transistor 86 wird abgeschaltet, wodurch der Kondensator C₀ über den Widerstand R₀ auf die Quellen spannung V_CC geladen wird. Wenn der Spannungspegel auf dem Kondensator C₀ an einem Steuerspannungsanschluß 90 die Steuerspannung CV erreicht, wird der Ausgang OUT niedrig oder hat einen Pegel "L", während der Transistor 86 angeschaltet wird, um den Kondensator C₀ schnell zu entladen.

Der monostabile Multivibrator 64 mit dem vorbeschriebenen Aufbau kann seine Kippzeit (den Zeitabschnitt, für welchen der Ausgang OUT hoch oder auf einen Pegel "H" verbleibt) än dern, indem die Schwellenwertspannung durch die Spannung CV geändert wird.

In Fig. 6 ist eine Kurve dargestellt, welche die Beziehung zwischen der Ausgangsspannung des Integrators, der durch den Kondensator C₀ und den Widerstand R₀ gebildet ist, und der Schwellenwertspannung sowie der Kippzeit des monostabilen Multivibrators wiedergibt. In der Kurvendarstellung sind ein Maximalwert V_SH der Schwellenwertspannung, eine Kippzeit t_H, welche durch die maximale Schwellenwertspannung V_SH festge legt ist, ein Minimalwert V_SL der Schwellenwertspannung und eine Kippzeit t_L dargestellt, welche durch den Minimalwert V_SL festgelegt ist. Aus der Kurve ist zu ersehen, daß für eine Quellenspannung V_CC von 5 V die Schwellenspannung in einem Bereich von 2,25 bis 4,5 V veränderlich ist, und das Zeitverhältnis t_L/t_H 0,36 ist. Wenn sich somit die Spannung CV in dem Bereich von 2,25 bis 4,5 V ändert, kann die Schwel lenwertspannung auf die gleiche Weise geändert werden, um wiederum die Kippzeit in dem Bereich von t₁ bis t_H zu ändern.

In Fig. 7 ist eine weitere Ausführungsform mit Merkmalen nach der Erfindung dargestellt, in welcher eine etwas verbesserte Ausführung der anhand der Fig. 4 bis 6 beschriebenen, schal tenden Servoverstärkerschaltung verwendet ist. In der Servo verstärkerschaltung der Fig. 4 bis 6 bleiben die Schwellen wertspannung und folglich die Kippzeit dieselbe, selbst wenn die Steuerspannung CV unter den als Schwelle dienenden Mini malwert V_SL erniedrigt wird. Hierdurch ist verhindert, daß die Ausgangsimpulsbreite des monostabilen Multivibrators kür zer gemacht wird als der Zeitabschnitt von 0 bis t_L, wodurch es unmöglich gemacht wird, den Durchschnittswert des dem Mo tor 10 zugeführten Stroms unter einen vorbestimmten Wert zu erniedrigen, selbst wenn die Ausgangsspannung des Servover stärkers 60 unter den Minimalwert V_SL fällt. Der Servover stärker der Fig. 7 ist so ausgelegt, daß dem Motor ein Strom zugeführt wird oder an ihn eine Spannung angelegt werden kann, der bzw. die sogar niedriger als ein minimaler Strom bzw. eine minimale Spannung ist, was wiederum von der Kipp zeit abhängt. Hierzu weist der in Fig. 7 dargestellte Schal tungsaufbau einen Diskriminator auf, um festzustellen, ob die Spannung niedriger ist als der Minimalwert der Schwellenwert spannung. Wenn festgestellt wird, daß die Spannung niedriger als die minimale Schwellenwertspannung ist, wird die Steue rung der Schaltanordnung durch den Ausgang des monostabilen Multivibrators unterbrochen.

Im einzelnen unterscheidet sich die Servoverstärkerschaltung der Fig. 7 von der der Fig. 4 dadurch, daß sie einen Verglei cher 92, der als Diskriminator dient, Widerstände R₉ und R₁₀, die einen Spannungsteiler bilden, welcher eine Bezugsspannung V_R für den Vergleicher 92 erzeugt, und ein UND-Glied 94 auf weist. Die Bezugsspannung V_R, die durch Teilen der Quellen spannung V_cc durch die Widerstände R₉ und R₁₀ geschaffen wor den ist, entspricht einem Minimalwert (in dem beschriebenen Beispiel 2,25 V) der Schwellenwertspannung des monostabilen Multivibrators 64. An den invertierten Eingang des Verglei chers 92 wird diese Bezugsspannung V_R und an seinen nicht in vertierenden Eingangsanschluß wird die Steuerspannung CV an gelegt, welche ein Ausgang des Servoverstärkers 60 ist.

Obwohl bei dieser Ausführungsform die Spannung CV höher als die Bezugsspannung VR ist, bleibt der Ausgang des Verglei chers 92 hoch oder auf einem Pegel "H", um das UND-Glied 94 offenzuhalten, so daß der Ausgang des monostabilen Multivi brators 64 an die Schaltanordnung 68 angekoppelt wird. Unter dieser Voraussetzung wird dann der Motor 10 einer Steuerung auf der Basis einer Pulsbreitenmodulation unterzogen. Bei einem Abfall der Steuerspannung CV unter die Bezugsspannung V_R wird der Ausgang des Vergleichers 92 niedrig oder geht auf einen Pegel "L", wodurch das UND-Glied 94 geschlossen wird, und die Schaltanordnung 68 von dem monostabilen Multivibra tor 64 getrennt wird. Folglich werden die Transistoren Q₁ und Q₂ der Schaltanordnung 68 nichtleitend gehalten, wodurch der Durchschnittswert der Stromzuführung an den Motor 10 ver ringert wird. Hierdurch fällt dann das Rückkopplungssignal S_F ab, und folglich steigt der Ausgang des Servoverstärkers 60 an mit dem Ergebnis, daß die Spannung CV über den Bezugspegel V_R hinaus erhöht wird. Der Ausgang des Vergleichers 62 wird dann hoch oder geht auf einen Pegel "H", um das UND-Glied 94 zu öffnen und um dadurch die Impulsbreitenmodulation zur Steuerung wieder durchzuführen, wodurch die Stromzufuhr zu dem Motor 10 erhöht wird. Das heißt, solange der Steuerein gang S_c an dem Servoverstärker 60 klein ist, wird der vorge schriebene Vorgang wiederholt, um dem Motor 10 einen kleinen Strom zuzuführen.

Der Spannungssteuerbereich kann auf dieselbe Weise in dem Fall vergrößert werden, wenn der Servoverstärker eine Span nungsquelle aufweist. Erforderlichenfalls kann der Ausgang des in Fig. 7 dargestellten Vergleichers 92 invertiert und an den Rücksetzeingang des in Fig. 5 dargestellten "555"-Zeitge bers 70 angekoppelt werden, so daß das UND-Glied 94 wegge lassen werden kann. In einem solchen Fall kann eine Anordnung so ausgelegt werden, daß, wenn die Spannung niedriger als die minimale Schwellenwertspannung ist, der monostabile Multivi brator 64 rückgesetzt wird, um die Steuerung der Schaltan ordnung 68 zu unterbrechen, welche durch den Ausgang des mo nostabilen Multivibrators 64 durchgeführt wird. Auf diese Weise kann eine schaltende Servoverstärkerschaltung in der in Fig. 7 dargestellten Form den Motorstrom oder die Motor spannung über einen ausgedehnten bzw. vergrößerten Bereich steuern.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform mit Merkmalen nach der Erfindung weist somit eine Steuereinrichtung für einen hin- und herbewegenden Antriebsmotor einen Phasenvergleicher auf, welcher eine Phasendifferenz zwischen Impulsen, die zu der Drehbewegung eines Motors synchron sind, und Bezugs impulse festlegt, deren Periode einer genau festgelegten Drehzahl entspricht, um einen Impuls, solange eine Pha sendifferenz besteht, und entsprechend der Phasenvornach eilung zu erzeugen. Eine Schaltungsanordnung 32 ist zwischen den Phasenvergleicher 30 und einen Schleifenfilter 34 der Steuereinrichtung geschaltet, um eine Spannung zu erzeugen, welche einen Nullpegel hat, wenn die Phasendifferenz null ist, und entsprechend dem Nullpegel gemäß der Phasenvornach eilung positiv (negativ) oder negativ (postitiv) ist. Bis der Motor einen konstanten Drehzahlsteuerbetrieb hat, wird der Ausgang des Schleifenfilters durch Schaltanord nungen auf einem Nullpegel gehalten.

Solange bei einem konstanten Drehzahlsteuerbetrieb die Phasendifferenz null ist (was bedeutet, daß die Drehbewe gung des Motors 12 bei einer festgelegten Geschwindigkeit liegt), werden die Ausgangsspannungen der Schaltungsanordnung und des Schleifenfilters unabhängig von der festgelegten Drehzahl auf einem Nullpegel gehalten. Wenn sich die Ar beitsweise von einem Startbetrieb zu einem konstanten Drehzahlsteuerbetrieb verschiebt, wird die Ausgangs spannung des Schleifenfilters unabhängig von der im einzelnen festgelegten Drehzahl auf einem Nullpegel gehalten. Die Steuereinrichtung weist ferner eine Ausgleichsspannungs- Zuführeinrichtung auf, um den Motor mit einem Strom zu ver sorgen, welcher groß genug ist, Reibungskräfte eines Systems zu überwinden, das durch den Motor 12 angetrieben wird.

Claims

1. Steuereinrichtung für einen in beiden Richtungen lau fenden Motor mit einem Phasenregelkreis (PLL)

a) mit einem Schleifenfilter (34),
b) mit einer Steuerschaltung (36) für den Antrieb des Mo tors (10),
c) mit einer Auswahlschaltung (16) für den Startbetrieb des Motors (10) oder für eine Regelung auf konstante Drehzahl,
d) mit einem Generator (20-28) zur Erzeugung von Bezugs impulsen, deren Periode einer definierten Drehzahl entspricht,
e) mit einem rotierenden Kodierer (12) zur Erzeugung von Impulsen, die synchron zur Drehzahl des Motors (10) sind,
f) mit einem Phasenkomparator (30) für den Vergleich der Phasen der Bezugsimpulse und der zur Drehzahl synchro nen Impulse für die Erzeugung eines Ausgangssignals, das die sich ergebende Phasendifferenz darstellt, und
g) mit einer zwischen dem Phasenkomparator (30) und dem Schleifenfilter (34) liegenden Schaltungsanordnung (32) zur Erzeugung einer der Phasendifferenz entsprechenden Spannungsimpulsfolge (CP), die bei einer Phasendiffe renz "Null" den Spannungswert "Null" hat,

gekennzeichnet durch

h) eine Schaltungsanordnung (SWD), die im Startbetrieb des Motors (10) die Ausgangsspannung (LP) des Schlei fenfilters (34) auf den durch die Spannungsimpulsfolge (CP) vorgegebenen Spannungswert nachführt,
i) und die betätigbar ist, um bei der Regelung auf kon stante Drehzahl am Ausgang des Schleifenfilters (34) eine der Phasendifferenz entsprechende Ausgangsspan nung (LP) zu erzeugen,
j) eine Einrichtung (SWA′) zur Lieferung einer Kompensa tionsspannung (EF) für den Motor (10), die genügend hoch ist, um Reibungskräfte eines von dem Motor (10) angetriebenen Systems auszugleichen,
k) und eine Einrichtung (48, SWC) zur Lieferung eines Fehlersignals (ERROR) für den Motor (10), das den Un terschied zwischen der gewünschten Drehzahl und der vom Kodierer (12) ermittelten tatsächlichen Drehzahl des Motors (10) angibt.

2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Schaltungsanordnung einen steuerbaren Schalter (SWD) aufweist, der in einem Rückkopplungskreis des Schleifenfilters (34) angeordnet ist und durch ein RC- Glied überbrückbar ist.

3. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Lieferung einer Kompensationsspannung (E_f) für den Motor (10) einen mit einer Gleichspannungsquelle verbundenen steuerbaren Schalter (SWA′) aufweist.

4. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Einrichtung (48, 50, SWC) zur Lieferung eines Fehlersignals (ERROR) für den Motor (10) einen steuerbaren Schalter (SWC) aufweist, über den das Fehler signal (ERROR) wirksam gemacht wird.

5. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch ihre Verwendung bei einem Antriebsmo tor eines hin- und herbewegbaren Wagens eines Kopiergeräts.