DE3326358A1

DE3326358A1 - Verfahren zur steuerung eines schrittmotors

Info

Publication number: DE3326358A1
Application number: DE19833326358
Authority: DE
Inventors: Noriyuki Yokohama Kanagawa Kikukawa; Yasuaki Matsudo Chiba Yamada
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1982-07-22
Filing date: 1983-07-21
Publication date: 1984-01-26
Also published as: GB2127241A; US4513236A; GB2127241B; GB8319669D0; DE3326358C2

Description

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Dipl.-Ing. R. Kinne Dipl.-Ing R Grupe

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Dipl.-Ing. K. Grams Dipl.-Chem. Dr. B. Struif

Bavariaring 4, Postfach 8000 München 2

Tel.: 0 89-5396 Telex: 5-24 845 tipat Telecopier: O 89-537377 cable: Germaniapatent Mür

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Canon Kabushiki Kaisha

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Tokyo, Japan

Verfahren zur Steuerung eines Schrittmotors

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung eines Schrittmotors mit uni- oder bipolarer Wicklungsbauart.

Am Übergang eines Schrittmotors vom Bewegungs- zum HaIt-Zustand erreicht der Rotor einen Stillstand nach einem dämpfenden Schwingen um den stabilen Zielpunkt. Um die Periode dieser dämpfenden Schwingung herabzusetzen, wurde vorgeschlagen, die kinetische Energie des Rotors zu verzehren und die Schwingung schnell zu dämpfen, wenn der Rotor den stabilen Zielpunkt erreicht, indem in geeigneter Weise die erregte Phase und die Erregungszeit gesteuert oder geregelt werden.

Ein derartiges Vorgehen ist jedoch kaum wirksam, falls sich die Belastung des Motors ändert, und die Art der Konvergenz, d.h. des Zusammenlaufens, der Schwingung schwankt auf Grund der Schwankung im Drehmoment des Motors selbst jedesmal ganz bedeutend. Aus diesem Grund muß im tatsächlichen Gebrauch die zur Konvergenz der Schwingung erforderliche Dämpfungszeit mit weitem Spielraum bestimmt werden. Demzufolge ist eine Steuerung mit geschlossener Schleife , die beispielsweise einen zusätzlichen Stellungsfühler aufweist, für einen Hoctigeschwindigkeitsbetrieb unabdingbar gewesen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Steuerung eines Schrittmotors von uni- oder bipolarer Wicklungsbauart anzugeben, das frei von den oben erwähnten Nachteilen ist und die Möglichkeit zur Herabsetzung der Rotorschwingung ohne Kurzschließen der nicht-erregten Wicklungen sowie der Verkürzung der Dämpfungszeit ohne das Erfordernis einer Steuerung mit geschlossener Schleife bietet.

Der Erfindungsgegenstand wird anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltschema für eine erste Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 2A„ 2B und 2C Diagramme für den Halt-Zustand des Motors; Fig. 3A und 3B WeIlenformdiagramme über die Funktion des

Erfindungsgegenstandes;
Fig. 4 ein Schaltschema für eine zweite Ausführungsform

gemäß der Erfindung;
Fig. 5 ein Schaltschema für eine dritte Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 6A und 6B WeIlenformdiagramme über die Funktion einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 7 ein Diagramm für den Halt-Zustand bei einem Motor gemäß der Erfindung.

1. Ausführungsform

Bei der Ausführungsform von Fig. 1 wird ein Schrittmotor mit vierphasigen unipolaren Wicklungen durch ein einphasiges Erregerverfahren angetrieben. Der gestrichelte Rahmen gibt den Schrittmotor SP an, dessen Phasenwicklungen L1 - L4 in Aufeinanderfolge durch den leitenden Zustand der Antriebs- oder Steuertransistoren Tr1 - Tr4 entsprechend den Phasensignalen S1 - S4 erregt werden. Schalter SW1 und SW2 sind zum Kurzschließen der Wicklungen vorgesehen, wenn der Motor zum Halt-Zustand gebracht wird.

Es sei als Beispiel ein Fall angenommen, in dem der Motor stabil in Aufeinanderfolge durch Phase I, Phase II und Phase III angetrieben und im Antriebszustand von Phase III angehalten wird. Wie Fig. 2A zeigt, hält der Motor ohne Schwingen an, wenn der Rotor des Motors bei Erreichen des stabilen Punkts des Antriebszustands mit Phase III eine kinetische Energie von Null hat. Jedoch ist in der Praxis ein Anhalten mit einer Schwingung üblich, wie Fig. 2B zeigt, was auf der Lastschwankung am Motor, auf der Drehmomentschwankung des Motors selbst oder auf einer Schwankung im Intervall der Phasensignale beruht. Deshalb werden die Wicklungen von Phase II und Phase IV durch Schließen des Schalters SW2 im Zeitpunkt t_Q, wenn angenommen werden kann, daß der Motor den stabilen Punkt erreicht, kurzge-.schlossen, wie in Fig. 3A gezeigt ist. Dieser Zeitpunkt t^ entspricht nicht notwendigerweise dem stabilen Punkt bei Fehlen einer Regelung mit geschlossenem Kreis. Auf diese Weise wird in den Wicklungen L2, L4 der Phasen II

-foIV eine umgekehrte EMK, wie in Fig. 1 gezeigt ist, während des Schwingens beim Anhalten des Motors erzeugt, was einen Schleifenstrom I„ und ein schnelles Dämpfen der Schwingung hervorruft. Die Fig. 2 zeigt ein Beispiel für das Anhalten eines Motors durch dieses Kurzschließen der Wicklungen der Phasen II und IV. An Stelle der in Fig. 1 gezeigten Schalter SW1 und SW2 kann ein anderes Vorgehen zur Anwendung kommen, wobei beispielsweise die Steuertransistoren Tr2, TR4 gleichzeitig leitend gemacht werden, um, wie Fig. 3B zeigt, Ströme in die Wicklungen der Phasen II und IV einzuführen, und die Unsymmetrie in den Strömen eine Wirkung hervorbringt, die derjenigen des oben erwähnten Schleifenstroms gleichartig ist.

Das mit Bezug auf den Einphasenantrieb eines Schrittmotors mit vierphasigen unipolaren Wicklungen erläuterte Verfahren ist natürlich auch auf andere Motoren als solche mit Vierphasenwicklungen und auf ein Mehrphasenarihriebsv/prfahren anwendbar.

2. Ausführungsform

Bei dieser Ausführungsform wird ein Schrittmotor mit vierphasigen bipolaren Wicklungen durch ein Einphasen-Erregerverfahren angetrieben. Die gestrichelten Kästchen in Fig.4 zeigen unterschiedliche Phasen des Schrittmotors. Ein Phasensignal S1 aktiviert die Transistoren Tr1, Tr4 und Tr5; ein Phasensignal S3 aktiviert die Transistoren Tr2, Tr3 und Tr6; ein Phasensignal S2 aktiviert die Transistoren Tr7, TrIO sowie Tr11 und ein Phasensignal S4 aktiviert die Transistoren Tr8, Tr9 sowie ΤΠ2, womit jeweils die Wicklungen der Phasen I, II, III bzw. IV erregt werden. Die Schalter SW1 und SW2 sind zum Kurzschließen der Wicklungen vorgesehen, wenn der Motor angehalten wird. Als Beispiel sei ein Zustand angenommen, in dem der Motor stabil in Aufeinanderfolge in den Phasen I, II und III

angetrieben sowie im Antriebszustand von Phase III angehalten wird. Der Schalter SW2 wird, wie in Fig. 3A gezeigt ist, geschlossen, um die Wicklung B in einem Zeitpunkt t_fi kurzzuschließen, wenn für den Rotor des Motors anzunehmen ist, daß er den stabilen PUnkt des Phasenantriebs erreicht, wodurch in der Wicklung B während des Schwingens beim Anhalten des Motors.eine umgekehrte EMK erzeugt wird und der resultierende, in Fig. 4 gezeigte Schleifenstrom I_n die Schwingung in der gleichen Weise, wie vorher erläutert wurde, dämpft.

3. Ausführungsform

Bei den vorangegangenen Ausführungsformen sind insgesamt sechs Signale, d.h. vier Phaseη signale und zwei zusätzliche Signale zur Steuerung der Schalter SW1 und SW2 erforderlich. Die in Fig. 5 gezeigte Ausführungsform läßt eine gleichartige Wirkung durch die Phasensignale allein erreichen. Im Gegensatz zu den vorherigen Ausführungsformen, wobei der Schleifenstrom I_n durch Schließen des Schalters SW2 erzeugt wird, wird bei der in Rede stehenden Ausführungsform der Schleifenstrom I_n durch gleichzeitiges Verschieben der Phasensignale S2 und S4, wie in Fig. 3B gezeigt ist, erhalten. Bei gleichzeitigem Empfang der Phasensignale S2, S4 halten Tore G1, G2 und G3 die Transistoren Tr7, Tr8, Tr11 sowie Tr12, sie aktivieren jedoch die Transistoren Tr9 und TrIO, so daß ein Schleifenstrom I_n in der Reihenfolge einer Diode D1 , der Wicklung B, des Transistors Tr10 und der Diode D1 oder einer Diode D2, der Wicklung B, des Transistors Tr9 und der Diode D2 fließt, womit eine zu derjenigen durch Schließen des Schalters SW2 erhaltene Wirkung gleichartige Wirkung erzielt wird.

Die mit Bezug auf einen Einphasenantrieb eines Schrittmotors mit vierphasigen bipolaren Wicklungen erläuterte Ausführungsform ist natürlich auch auf andere Motoren, die eine Vierphasen-Bauart nicht haben, und auf Mehrphasenantriebsverfahren anwendbar.

4. Ausführungsform

Bei dieser Ausführungsform wird der in Fig. 1 gezeigte Schal ter SW2 zu einem Zeitpunkt t_Q geschlossen, wenn angenommen wird, daß der Motor den stabilen Punkt erreicht, wie Fig.6 zeigt, wodurch eine umgekehrte EMK in den Wicklungen L2 und L4 der Phasen II sowie IV während des Schwingens des Motors beim Anhalten erzeugt wird, so daß ein Schleifenstrom Iq in diesen Wicklungen hervorgerufen wird, um die Schwingung zu dämpfen. Dann wird das Phasensignal S3, das geringfügig langer als das Phasensignal S2 ist, in einem Zeitpunkt t. abgeschlossen, weil die Erregung der Phase III eine starke Kraft zum stabilen Punkt hin erzeugt und Anlaß zu der Uberschwingerscheinung gibt, wenn der Rotor nicht am stabilen Punkt positioniert ist. Wenn die Erregung der Phase III im Zeitpunkt t, abgeschlossen wird und die Phasen II sowie IV kurzgeschlossen werden, dann hält der Motor praktisch ohne Schwingung an, da der Rotor nur durch eine relativ schwache Kraft der Motormagnete zum stabilen Punkt hin getrieben und der Bremskraft des Schleifenstroms I_Q ausgesetzt wird. Die Fig. 7 zeigt ein Beispiel für ein Anhalten des Motors auf diese Weise. Wenn an einem Zeitpunkt tp das Phasensignal S3 wieder eingeführt wird, wird der Rotor vollständig angehalten und auf der Phase III gehalten, und dieser Zustand kann als ein Beispiel für die Hammeroder Aufschlagtätigkeit eines Druckers benutzt werden.

An Stelle der Schalter SW1 und SW2 kann eine andere geeignete Methode zur Anwendung kommen, bei spielswiese ein

gleichzeitiges Aktivieren der Steuer-transistoren Tr2 und Tr4. Das kann durch Zuführen der Phasenimpulse S2 und S4 für die Phasen II sowie IV gleichzeitig in einem Zeitpunkt tg, wie Fig. 6B zeigt, erreicht werden, wobei die resultierende Unsymmetrie in den Strömen eine zum vorher erwähnten Schleifenstrom gleichartige Wirkung hervorruft. Auf diese Weise können die Schalter SW1, SW2 und die zur Steuerung dieser Schalter benötigten Signale in Fortfall kommen.

Das vorstehend mit Bezug auf den Einphasen-Antrieb eines Schrittmotors mit vierphasigen unipolaren Wicklungen erläuterte Verfahren kann natürlich auch auf andere Motoren als solche mit Vierphasen-Wicklungen und auf ein Mehrphasenantriebsverfahren angewendet werden. Auch kann ein solches Verfahren die Druckqualität in sehr hohem Maß verbessern, wenn es auf den Halt-Betrieb einer Typenscheibe? oder die Bewegung bzw. das Anhalten eines Druckwagens angewendet wird.

Wie vorstehend erläutert wurde, ermöglicht es der Erfindungsgegenstand, auf einfache, leichte Weise die Dämpfungszeit eines Schrittmotors mit einer Steuerung (mit offener Schleife) zu vermindern, wodurch ein Hochgeschwindigkeitsbetrieb des Schrittmotors ohne Zufügung beispielsweise eines Lagefühlers zu erreichen ist.

Die Erfindung betrifft ein Steuerverfahren für einen Schrittmotor mit uni- oder bipolarer Wicklung, wobei eine in den nicht-erregten Wicklungen erzeugte umgekehrte elektromotorische Kraft für eine Motorsteuerung verwendet wird.

Leerseite

Claims

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Pellmann - Grams ^'Struif

Patentanwälte und Vertreter beim EPA Dipl.-Ing. H.Tiedtke Dipl.-Chem. G. Bühling Dipl.-Ing. R. Kinne Dipl.-Ing. R Grupe Dipl.-Ing. B. Pellmann Dipl.-Ing. K. Grams Dipl.-Chem. Dr. B. Struif

Bavariaring 4, Postfach 202' 8000 München 2

Tel.: 089-53 96 53 Telex: 5-24845 tipat Telecopier: 0 89-537377 cable: Germaniapatent Münc

21. Juli 1983 DE 3143

Patentansprüche

1 .] Verfahren zur Steuerung eines Schrittmotors, gekennzeichnet durch die Schritte

- Erregen mehrerer Wicklungen in Aufeinanderfolge zur Bewegung eines Rotors zu einem Zielpunkt und

- Verbinden zweier anderer Wicklungen als die erregte in einem Schaltkreis zur Dämpfung der Bewegung des Motors in etwa dem Zielpunkt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbinden der zwei anderen Wicklungen durch Erden erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung der erregten Wicklung kurzzeitig unterbrochen wird.
4. Elektrischer Schrittmotor, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von getrennt erregbaren Wicklungseinrichtungen, ein durch die aufeinanderfolgende Erregung der Wicklungseinrichtungen bewegbares Teil, eine Einrichtung zur Erregung der Wicklungseinrichtungen in Aufeinanderfolge und durch eine den Motor anhaltende Einrichtung, die eine Einrichtung zur Erregung einer bestimmten der Wicklungseinrichtungen derart, daß das bewegbare Teil sich zwangsweise zu einer Ziel-Haltposition bewegt, die durch die bestimmte der Wicklungseinrichtungen festgelegt ist, und eine Einrichtung für ein Einschalten von wenigstens einer anderen der Wicklungseinrichtungen in einen Schaltkreis, der zur Dämpfung einer Ubergangsschwingbewegung des bewegbaren Teils um die Haltstellung ausgebildet ist, besitzt.
5. Motor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anhalteeinrichtung eine Schalteinrichtung umfaßt , die derart angeordnet ist, daß zwei der Wicklungseinrichtungen miteinander zur Festlegung eines geschlossenen, diese Wicklungseinrichtungen enthaltenden Schaltkreises verbindbar sind.
6- Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß (jig Wicklungseinrichtungen wechselseitig parallel tfn einer Stromquelle angeschlossen sind, daß jede der Wicklungseinrichtungen je eine ihr zugeordnete Schalteinrichtung zur aufexnanderfolgenden Erregung der Wicklungseinrichtungen von der Stromquelle aus aufweist und daß die Anhalteeinrichtung eine Einrichtung zur Betätigung von zwei der jeweiligen Schalteinrichtungen gemeinsam für die Bestimmung des geschlossenen Schaltkreises umfaßt.
7. Motor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei in dem geschlossenen Schaltkreis verbundenen Wicklungseinrichtungen an gegenüberliegenden Seiten der die Haltstellung bestimmenden Wicklungseinrichtung angeordnet sind.