DE3326358C2

DE3326358C2 -

Info

Publication number: DE3326358C2
Application number: DE3326358A
Authority: DE
Inventors: Noriyuki Yokohama Kanagawa Jp Kikukawa; Yasuaki Matsudo Chiba Jp Yamada
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1982-07-22
Filing date: 1983-07-21
Publication date: 1990-08-09
Also published as: DE3326358A1; GB2127241B; GB8319669D0; US4513236A; GB2127241A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung eines Schrittmotors gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und auf eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 4, sowie auf eine Anordnung zum Steuern eines bipolar gespeisten Schrittmotors gemäß Anspruch 5.

Am Übergang eines Schrittmotors vom Bewegungs- zum Halt zustand erreicht der Rotor seinen Stillstand nach einem gedämpften Schwingen um den gewünschten Haltepunkt. Um die Periode dieser gedämpften Schwingung herabzusetzen, wurde vorgeschlagen, die kinetische Energie des Rotors zu ver zehren und die Schwingung schnell zu dämpfen, 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, da dann die Konvergenz der Schwingung aufgrund der Schwankung im Drehmoment des Motors selbst jedes Mal ganz bedeutend schwankt. Aus diesem Grund ist eine Steuerung mit geschlossener Schleife, die bei spielsweise einen zusätzlichen Stellungsfühler aufweist, für einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb unabdingbar gewesen.

Um auf die Verwendung eines Stellungsfühlers und einer Steuerung mit geschlossener Schleife verzichten zu können, wurden bereits mehrere andere Verfahren zum Dämpfen des Einschwingens des Rotors in die gewünschte Haltestellung vorgeschlagen.

In der US-PS 34 39 200 ist ein Schrittmotor beschrieben, bei dem für das Bewegen des Rotors in eine gewünschte Haltestellung zwei Wicklungen aufeinanderfolgend erregt werden, während zwei andere Wicklungen einzeln für sich kurzgeschlossen sind, um den Rotor zu bremsen. Hierdurch wird zwar das Einschwingen des Rotors in die Haltestellung gedämpft, jedoch stellt das ständige Kurzschließen der beiden Wicklungen eine ständige Belastung des Schrittmotors dar, die dem normalen Fortschalten entgegensteht.

Im Buch "Elektrische Kleinstmotoren", 1979, expert-verlag, 7031 Grafenau 1/Württ. ist auf Seite 206 beschrieben, daß bei einem Schrittmotor die Dämpfung des Einschwingens des Rotors in eine gewünschte Haltestellung erreicht wird, indem für unipolare Ansteuerung vorgesehene Motoren bipolar so betrieben werden, daß die unbenutzte Wicklung dauernd oder im Abschaltmoment kurzgeschlossen wird. Bei diesen Maßnahmen ist also beim Anhalten eine vollständige Um stellung der Betriebsweise des Motors erforderlich, während andererseits auch zwangsläufig die durch den Kurzschluß der unbenutzen Wicklung erzielte Dämpfung von der Bewegungs richtung des Rotors bei dessen Einschwingen in die gewünschte Haltestellung abhängig ist, so daß beim Über schwingen und beim Unterschwingen unterschiedliche Dämpfung erzielt wird.

In der Zeitschrift "STZ", Nr. 48, 1973, S. 969 bis 976, ist ein Schrittmotor beschrieben, bei dem die Dämpfung des Ein schwingens des Rotors in eine gewünschte Haltestellung da durch erreicht wird, daß die Wicklungen zu einem geeigneten Zeitpunkt vor dem Erreichen der Haltestellung für einen Antrieb in Gegenrichtung erregt werden, wodurch der Rotor gebremst in die Haltestellung läuft, bei deren Erreichen die die Haltestellung bestimmende Wicklung erregt wird. Eine derartige Steuerung ist jedoch nur bei konstanter Motorlast ausführbar, da von dieser die Zeitpunkte des Um schaltens abhängig sind.

In der nicht vorveröffentlichten EP 00 68 802 A1 ist ein Verfahren der eingangs genannten Art beschrieben, bei dem für das Bewegen des Rotors in eine gewünschte Haltestellung eine oder zwei der Wicklungen des Schrittmotors in einer vorbestimmten Reihenfolge erregt werden, während zum Dämpfen des Einschwingens des Rotors in eine gewünschte Haltestellung zwei andere Wicklungen einzeln für sich zu einem geeigneten Zeitpunkt vor Erreichen der gewünschten Haltestellung kurzgeschlossen werden. Die Tatsache, daß die Auswahl der kurzzuschließenden Wicklungen nach einem komplizierten Verfahren abhängig von der Stellung des Rotors erfolgt und daß für jede einzelne Wicklung Schalt elemente zum Kurzschließen vorgesehen sind, bedingt einen hohen schaltungstechnischen Aufwand.

In der DE-OS 21 28 347 ist ein Schrittmotor beschrieben, bei dem für das Bewegen des Rotors in eine gewünschte Haltestellung mehrere Wicklungen aufeinanderfolgend erregt werden und bei dem während des Zeitintervalls, während dem eine einzelne Wicklung erregt ist, kurzzeitig alle anderen Wicklungen für ein vorgegebenes und zur Verhinderung des Einschwingens des Rotors in die Haltestellung ausreichendes Zeitintervall erregt werden. Dieses Verfahren weist den Nachteil auf, daß für das Erregen aller Wicklungen eine hohe elektrische Leistung zur Verfügung gestellt werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. Anordnungen der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß das Dämpfen des Einschwingens des Rotors in eine gewünschte Haltestellung mit einem geringen schaltungs technischen Aufwand realisiert werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bezüglich des Verfahrens mit dem im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmal gelöst.

Demnach wird erfindungsgemäß zum Anhalten des Rotors ein geschlossener Stromkreis aus zwei direkt miteinander ver bundenen Wicklungen gebildet, die von der die Haltestellung bestimmenden Wicklung verschieden sind. In den beiden Wicklungen entstehen beim Einschwingen des Rotors in die gewünschte Haltestellung Gegen-EMKe, die in beiden Schwingungsrichtungen so wirken, daß die Übergangsschwingun gen in beiden Richtungen gleichmäßig und schnell gedämpft werden.

Weiterbildungen des Verfahrens sind den Unteransprüchen und eine Anordnung zu seiner Durchführung dem Anspruch 4 zu entnehmen.

Für einen bipolar gespeisten Schrittmotor mit zwei Wicklungen wird die Aufgabe erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 5 aufgeführten Merkmalen gelöst.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltschema für eine erste Ausführungsform;

Fig. 2A, 2B und 2C Zeitdiagramme für das Einschwingen des Rotors in die Haltestellung;

Fig. 3A und 3B Wellenformdiagramme über die Funktion des Erfindungsgegenstandes;

Fig. 4 ein Schaltschema für eine zweite Ausführungsform;

Fig. 5 ein Schaltschema für eine dritte Ausführungsform;

Fig. 6A und 6B Wellenformdiagramme über die Funktion einer weiteren Ausführungsform und

Fig. 7 ein Diagramm für das Einschwingen des Rotors in die Haltestellung.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 wird ein Schrittmotor mit vierphasigen unipolaren Wicklungen durch ein einphasi ges Erregerverfahren betrieben. Der gestrichelte Rahmen gibt den Schrittmotor SP an, dessen Phasenwicklungen L 1 bis L 4 aufeinanderfolgend durch den leitenden Zustand der Steuertransistoren Tr 1 bis Tr 4 entsprechend den Phasensignalen S 1 bis S 4 erregt werden. Schalter SW 1 und SW 2 sind zum Kurzschließen der Wicklungen vorgesehen, wenn der Motor in den Halt-Zustand gebracht wird.

Es sei als Beispiel ein Fall angenommen, in dem der Motor stabil aufeinanderfolgend 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 der Haltestellung in 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 Dreh momentschwankung des Motors selbst oder auf einer Schwan kung im Intervall der Phasensignale beruht. Deshalb werden die Wicklungen von Phase II und Phase IV durch Schließen des Schalters SW 2 im Zeitpunkt t₀, wenn angenommen werden kann, daß der Motor die Haltestellung erreicht, kurzge schlossen, wie in Fig. 3A gezeigt ist. Dieser Zeitpunkt t ₀ entspricht bei Fehlen einer Regelung mit geschlossenem Kreis nicht notwendigerweise der Haltestellung. Auf diese Weise wird in den Wicklungen L 2, L 4 der Phasen II und IV eine Gegen-EMK, wie in Fig. 1 gezeigt ist, während des Schwingens beim Anhalten des Motors erzeugt, was einen Schleifenstrom I ₀ und ein schnelles Dämpfen der Schwingung hervorruft. Die Fig. 2C zeigt ein Beispiel für das Anhalten des Motors durch dieses Kurzschließen der Wicklungen der Phasen II und IV. An Stelle der in Fig. 1 gezeigten Schalter SW 1 und SW 2 kann ein anderes Vorgehen zur Anwendung kommen, wobei beispielsweise die Steuertran sistoren Tr 2 und Tr 4 gleichzeitig leitend gemacht werden, um, wie Fig. 3B zeigt, Ströme in die Wicklungen der Phasen II und IV einzuführen, und wobei die Unsymmetrie in den Strömen eine Wirkung hervorbringt, die derjenigen des oben erwähn ten Schleifenstroms gleichartig ist.

Das mit Bezug auf das Einphasen-Erregerverfahrens eines Schrittmotors mit vierphasigen unipolaren Wicklungen erläuterte Verfah ren ist natürlich auch auf andere Motoren als solche mit Vierphasenwicklungen und auf ein Mehrphasen-Erregerverfahren anwendbar.

Bei der in Fig. 4 dargestellten zweiten Ausführungsform wird ein Schrittmotor mit vier phasigen bipolaren Wicklungen durch ein Einphasen-Erreger verfahren betrieben. Die gestrichelten Kästchen in Fig. 4 zeigen unterschiedliche Phasen des Schrittmotors. Ein Pha sensignal S 1 schaltet die Transistoren Tr 1, Tr 4 und Tr 5 durch ein Phasensignal S 3 schaltet die Transistoren Tr 2, Tr 3 und Tr 6 durch ein Phasensignal S 2 die Transistoren Tr 7, Tr 10 sowie Tr 11 durch und ein Phasensignal S 4 schaltet die Transistoren Tr 8, Tr 9 sowie Tr 12 durch, womit jeweils die Wicklungen der Phasen I, II, III bzw. IV erregt werden. Die Schalter SW 1 und SW 2 sind zum Kurzschließen der Wick lungen vorgesehen, wenn der Motor angehalten wird. Als Beispiel sei ein Zustand angenommen, in dem der Motor stabil aufeinanderfolgend durch die Phasen I, II und III angetrieben und in Phase III angehalten wird. Der Schalter SW 2 wird, wie in Fig. 3A gezeigt ist, geschlossen, um die Wicklung B in einem Zeitpunkt t ₀ kurzzuschließen, wenn für den Rotor des Motors anzunehmen ist, daß er die Haltestellung erreicht, wodurch in der Wicklung B während des Schwingens beim An halten des Motors eine Gegen-EMK erzeugt wird und der resultierende, in Fig. 4 gezeigte Schleifenstrom I ₀ die Schwingung in der gleichen Weise, wie vorher erläutert wurde, dämpft.

Bei den vorangegangenen Ausführungsformen sind insgesamt sechs Signale, d. h. vier Phasensignale und zwei zusätzli che Signale zur Steuerung der Schalter SW 1 und SW 2 erfor derlich. Die in Fig. 5 gezeigte dritte Ausführungsform läßt eine gleichartige Wirkung durch die Phasensignale allein er reichen. Im Gegensatz zu den vorherigen Ausführungsformen, bei denen der Schleifenstrom I ₀ durch Schließen des Schalters SW 2 erzeugt wird, wird bei dieser Ausfüh rungsform der Schleifenstrom I ₀ durch gleichzeitiges Ver schieben der Phasensignale S 2 und S 4, wie in Fig. 3B ge zeigt ist bewirkt. Bei gleichzeitigem Empfang der Pha sensignale S 2, S 4 halten Gatter G 1, G 2 und G 3 die Transisto ren Tr 7, Tr 8, Tr 11 sowie Tr 12 durchgeschaltet und schalten zusätzlich Transistoren Tr 9 und Tr 10 durch, so daß ein Schleifenstrom I ₀ über eine Diode D 1, die Wicklung B, den Transistor Tr 10 und die Diode D 1 oder eine Diode D 2, die Wicklung B, den Transistor Tr 9 und die Diode D 2 fließt, womit eine zu derjenigen durch Schließen des Schalters SW 2 erhaltene Wirkung gleichartige Wirkung erzielt wird.

Die mit Bezug auf ein Einphasen-Erregerverfahren eines Schrittmo tors mit vierphasigen bipolaren Wicklungen erläuterte Aus führungsform ist natürlich auch auf andere Motoren, die eine Vierphasen-Bauart nicht haben, und auf Mehrphasen-Erregerverfahren anwendbar.

Bei einer vierten Ausführungsform wird der in Fig. 1 gezeigte Schal ter SW 2 zu einem Zeitpunkt t ₀ geschlossen, wenn angenommen wird, daß der Motor die Haltestellung erreicht, wie Fig. 6A zeigt, wodurch eine Gegen-EMK in den Wicklungen L 2 und L 4 der Phasen II sowie IV während des Schwingens des Motors beim Anhalten erzeugt wird, so daß ein Schleifen strom I ₀ in diesen Wicklungen hervorgerufen wird, um die Schwingung zu dämpfen. Dann wird das Phasensignal S 3, das geringfügig länger als das Phasensignal S 2 ist, in einem Zeitpunkt t ₁ abgeschlossen, weil die Erregung der Phase III eine starke Kraft zur Haltestellung hin erzeugt und Anlaß zu der Überschwingerscheinung gibt, wenn der Rotor nicht in der Haltestellung positioniert ist. Wenn die Erregung der Phase III im Zeitpunkt t ₁ 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 zur Haltestellung hin getrieben und der Bremskraft des Schleifenstroms I ₀ ausgesetzt wird. Die Fig. 7 zeigt ein Beispiel für ein An halten des Motors auf diese Weise. Wenn an einem Zeitpunkt t ₂ das Phasensignal S 3 wieder eingeführt wird, wird der Rotor vollständig angehalten und in der Phase III gehalten, und dieser Zustand kann als ein Beispiel für die Hammer- oder Aufschlagtätigkeit eines Druckers benutzt werden.

An Stelle der Schalter SW 1 und SW 2 kann eine andere ge eignete Methode zur Anwendung kommen, beispielsweise ein gleichzeitiges Durchschalten der Steuertransistoren Tr 2 und Tr 4. Das kann durch Zuführen der Phasenimpulse S 2 und S 4 für die Phasen II sowie IV gleichzeitig in einem Zeitpunkt t ₀, wie Fig. 6B zeigt, erreicht werden, wobei die resul tierende Unsymmetrie in den Strömen eine zum vorher er wähnten Schleifenstrom gleichartige Wirkung hervorruft. Auf diese Weise können die Schalter SW 1, SW 2 und die zur Steuerung dieser Schalter benötigten Signale entfallen.

Die vorstehend mit Bezug auf das Einphasen-Erregerverfahren eines Schrittmotors mit vierphasigen unipolaren Wicklungen er läuterte Ausführungsform kann natürlich auch auf andere Motoren als solche mit Vierphasen-Wicklungen und auf ein Mehrpha sen-Erregerverfahren angewendet werden. Auch kann ein solches Verfahren die Druckqualität in sehr hohem Maß verbes sern, wenn es auf den Halt-Betrieb einer Typen scheibe oder die Bewegung bzw. das Anhalten eines Druckwagens angewendet wird.

Wie vorstehend erläutert wurde, ermöglicht es das beschriebene Verfahren, auf einfache, leichte Weise die Dämp fungszeit eines Schrittmotors zu vermindern, wodurch ein Hochgeschwin digkeitsbetrieb des Schrittmotors ohne Zufügung beispiels weise eines Lagefühlers zu erreichen ist.

Claims

1. Verfahren zum Steuern eines Schrittmotors, dessen Wicklungen aufeinanderfolgend erregt werden, um den Rotor in eine gewünschte Haltestellung zu bringen, wobei zum Dämpfen des Einschwingens des Rotors in die Haltestellung mindes tens eine andere der Wicklungen als die jeweils die Halte stellung bestimmende Wicklung zu einem geschlossenen Strom kreis verbunden wird, in dem ein Dämpferstrom fließen kann, dadurch gekennzeichnet, daß zwei andere Wicklungen direkt miteinander verbunden werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiderseits der die Haltestellung bestimmenden Wicklung angeordneten Wicklungen miteinander verbunden wer den.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung der die Haltestellung be stimmenden Wicklung während des Einschwingens zeitweilig unterbrochen wird.

4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur direkten Verbin dung der jeweils zwei anderen Wicklungen (L 1, L 3; L 2, L 4) je weils ein Schalter (SW 1; SW 2) vorgesehen ist (Fig. 1).

5. Anordnung zum Steuern eines bipolar gespeisten Schrittmotors mit zwei Wicklungen, die aufeinanderfolgend erregt werden, um den Rotor in eine gewünschte Haltestel lung zu bringen, wobei zum Dämpfen des Einschwingens des Rotors in die Haltestellung die ande re der Wicklungen als die jeweils die Haltestellung bestim mende Wicklung kurzgeschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils andere Wicklung (A; B) mit Hilfe eines Schal ters (SW 1; SW 2) oder mit Hilfe der jeweils zugehörigen Schaltelemente (TR 7 bis TR 10) und ihnen zugeordneten Dioden (D 1, D 2) kurzgeschlossen wird (Fig. 4, Fig. 5).