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Titel der Erfindung
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Verfahren zum Betrieb eines Zweiphasen-Permanentmagnet-Schrittmotors
mit Unipolaransteuerung Anwendungsgebiet der Erfindung Die Erfindung betrifFt ein
Verfahren zum Betrieb eines Zweiphasen-Permanentmagnet-Schrittmotors mit Unipolaransteuerung,
der in einer Druck-, Schreib- oder ähnlichen Büromaschine, insbesondere zum Einstellen
einer Typenscheibe in einem Schreib- oder Druckwerk Anwendung findet.
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Darüber hinaus ist die Anwendung der Erfindung aber auch bei vielphasigen
Permanentmagnet-Schrittmotoren mit IJnipolaransteuerung möglich und in Abhängigkeit
von der Motordimensionierung überall dort sinnvoll, wo hohe Positionierg ena uiseiten
mit Permanentmagnet-Schrittmotoren erreicht werden sollen.
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Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Für den Betrieb
zwei- oder mehrphasiger Permanentmagnet-Schrittmotoren sind bereits eine Reihe von
Verfahren entwickelt
worden, die den Schrittmotor in ganzen (Vollschrittbetrieb),
halben (Halbschrltetrieb) oder sogenannten wMinischrittenw steuern, bei denen ein
Normalschritt des Motors in mehrere Einzelschritte unterteilt werden kann (Untervielfachen
des Schrittes).
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So ist es bereits bekannt, Permanentmagnet-Schrittmotoren zur Nutzung
des maximalen Motormomentes sowohl in der Halteposition als auch während der Einstellbewegung
im Zweiphasenbetrieb (two-phase drive) - auch Zwei-Strang-Ansteuerung genannt -
zu betreiben, wobei jeweils zwei Phasen gleichzeitig bestromt werden. Dabei kann
die Bestromung der Phasen sowohl im Unipolarbetrieb (Eintakt-Ansteuerung) aus einer
oder mehreren Strom- oder Spannungsquellen, vorzugsweise in Bi-Level-Betriebsweise
(bi-leveldrive), wie auch im Bipolarbetrieb (Gegentakt-Ansteuerung) erfolgen. Eine
detailliertere Abhandlung findet sich dazu beispielsweise in 1Das Schrittmotoren-Handbuch",
herausgegeben von der Firma Sigma Instruments auf den Seiten 41/42 bzw. 50 bis 55.
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Diesen im Zweiphasenbetrieb gesteuerten Permanentmagnet-Schrittmotoren
liegt jedoch der wesentliche Nachteil zugrunde, daß außer den Teilungsfehlern der
gezahnten Statorpole und des Rotors vor allem Unregelmäßigkeiten der durch die verschiedenen
Phasenwicklungen des Schrittmotors erzeugten Form- und Größenabweichungen der Drehmoment-Drehwinkelkennlinien
einen wesentlichen Einfluß auf den statischen Schrittwinkelfehler des Schrittmotors
haben.
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Dieser führt, sofern der Schrittmotor zur Typenscheibeneinstellung
vorgesehen ist, zu einer erheblichen Beeinträchtigung der Genauigkeit, mit der die
Typenscheibe in die Abdruckposltion eingestellt wird. Eine Erhöhung der Genauigkeit
ist jedoch nur durch eine hohe Fertigungsprä zision des Schrittmotors zu erreichen,
was andererseits
jedoch einen erhöhten Fertigungs- und Kostenaufwand
verursacht. Desweiteren wäre es zur Erzielung einer hohen Positioniergenautgkeit
der Typenscheibe wünschenswert, wenn in der Gleichgewichtsstellung des im Zweiphasenbetrieb
angesteuerten Schrittmotors dessen Mw -Kennlinie eine möglichst große Steilheit
annehmen würde. Dem stehen beim Zweiphasenbetrieb des Schrittmotors jedoch die Forderungen
nach einem möglichst hohem effektiven Motormoment sowie nach einer möglichst geringen
notwendigen Wicklungsdurchflutung entgegen.
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Neben dem Zweiphasenbetrieb ist auch die Ansteuerung eines Perman
entmagnet-Schrit tmotors im Einp hasenbetrieb (wawe drive) - auch Ein-Strang-Ansteuerung
genannt - wo zu jedem Zeitpunkt jeweils nur eine Phase bestromt wird und der Motor
einen durch den Schrittwinkel definierten ganzen Schritt ausführt, bereits seit
längerem bekannt. Eine ins Detail gehende Abhandlung findet sich hierzu im bereits
erwähnten ZSchrittmotoren-HandbuchZ der Firma Sigma Instruments auf der Seite 40.
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Wenngleich die für den Einphasenbetrieb ausgelegten, jedoch weiterhin
mit dem durch die Rotor- und Statorverzahnung bedingten geometrischen (statischen)
Fehlern behafteten Permanentmagnet-Schrittmotoren einerseits den Vorteil haben,
daß sie die durch die im Zweiphasenbetrieb erfolgende gleichzeitige Bestromung zweier
Phasen bedingte Einflußgröße (Unsymmetrie der Mq,-Kennlinie) auf den Schrittwinkelfehler
ausschalten, so haftet ihnen jedoch andererseits der wesentliche Nachteil an, daß
hierbei nur eine sehr geringe elektrische Bedämpfung des Einschwingvorgangs erfolgt,
da in der Halteposition des Schrittmotors in der bestromten Wicklung keine Spannung
induziert wird. Die fehlende oder nur sehr geringe elektrische Dämpfung des Schrittmotors
im Einphasenbetrieb bedingt ein längeres
Ausschwingen und infolgedessen
zugleich eine Vergrößerung des dynamischen Fehlers, was sich insbesondere für das
Einstellen einer Typenscheibe in einer Druck- oder Schreibmaschine als äußerst nachteilig
erweist.
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Desweiteren ist auch der Betrieb eines Permanentmagnet Schrittmotors
im gemischten Ein- und Zweiphasenbetrieb bekannt, wo im Ergebnis einer wechselseitigen
Ein- und Zweiphasenansteuerung des Schrittmotors dessen Schrittlänge gegenüber der
Vollschrlttansteuerung halbiert wird (Halbschrittbetrieb). Ausführlich ist dies
im bereits zitierten FSchrittmotoren-Handbuchw der Firma Sigma Instruments auf den
Seiten 42 bis 45 beschrieben.
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In Verbindung mit einer Konstantstromregelung für den Phasenwicklungsstrom
liegt dem gemischten Ein- und Zweiphasenbetrieb (Halbschrittbetrieb) eines Permanentmagnetw
Schrittmotors zunächst der allgemeine Nachteil zugrunde, daß aufgrund der gleichzeitigen
Bestromung von einer Wicklungshälfte oder von zwei Wicklungshälften oder aber von
zwei Phasenwicklungen im Bipolarbetrieb sogenannte harte und weiches Schritte auftreten
können, die sich jedoch für den Einstellvorgang des Schrittmotors als ungünstig
erweisen. Darüber hinaus haften diesem Verfahren auch weiterhin die spezifischen
Nachteile des Ein- bzw. Zweiphasenbetriebes dahingehend an, als daß die einphasige
Ansteuerung nur eine unzureichende elektrische Bedämpfung des Einschwingvorgangs
gewährleistet und andererseits die Zweiphasen-Ansteuerung die Positioniergenauigkelt
des Schrittmotors negativ beeinträchtigt.
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In der DE-OS 1 613 172 wird schließlich ein Verfahren zum Betrieb
von Schrittmotoren beschrieben, deren Erregerwicklungen wählbar, entweder paarweise
oder einzeln, erregt werden können, wobei während der Beschleunigung jeweils
zwei
benachbarte Erregerwicklungen bestromt werden, hingegen während der Bremsung jedoch
nur eine Erregerwicklung erregt wird. Dies geschieht, indem während der Beschleunigung
dle erste und zweite Statorwicklung in Drehrichtung vor der jeweiligen Rotorstellung
erregt werden und nach Erreichen einer vorbestimmten Geschwindigkeit die Erregung
auf die zweite und dritte Statorwicklung in Drehrichtung vor der jeweiligen Rotorstellung
verlegt wird und während der Bremsung anfänglich die erste Statorwicklung in Drehrichtung
vor der jeweiligen Rotorstellung mit Erregerstrom belegt wird und nach Erreichen
einer bestimmten Geschwindigkeit die der Rotorstellung entsprechende Statorwicklung
erregt wird.
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Dem Betriebsverfahren, das sowohl einen Einphasenbetrieb während der
Bremsung und Festlegung der wStop"-Stellung des Rotors wie auch einen zweiphasigen
Betrieb des Schrittmotors vorsieht, liegt jedoch auch weiterhin der wesentliche
Nachteil zugrunde, daß sich die nur einphasige Bestromung der Erregerwicklung in
der Halteposition des Schrittmotors äußerst ungünstig auf die Eigendämpfung auswirkt,
so daß keine wirksame Bedämpfung des Einschwingvorgangs möglich ist.
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Ziel der Erfindung Ziel der Erfindung ist es, unter Vermeidung der
den bekannten technischen Verfahren zum Betrieb eines zwei- oder mehrphasigen Permanentmagnet-Schrittmotors
anhaftenden wesentlichsten Nachteile, den Ein- und Zweiphasenbetrieb zur Realisierung
einer Vollschrittschaltung des Schrittmotors derart miteinander zu verbinden, daß
bei Erreichen großer Positioniergenaulgkeiten durch nur geringe Schrittwinkelfehler
sowohl ein gleichermaßen großes Halte- wie Dreh-
moment als auch
eine wirksame elektrische Bedämpfung des Einschwingvorganys erzielt wird.
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Darlegung des Wesens der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe
zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines Zweiphasen-Permanentmagnet-Schrittmotors
mit Unipolaransteuerung zu entwickeln, bei dem der Schrittmotor unter Gewährleistung
einer maximalen Spannungsinduzierung im Haltebereich in Abhängigkeit von seinem
statischen bzw. dynamischen Zustand zeitweilig im Ein-oder Zweiphasenbetrieb gesteuert
wird.
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Erfindungsgemäß ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß in der
Halteposition des Schrittmotors jeweils drei der vier Wicklungshälften der beiden
Phasenwicklungen gleichzeitig bestromt und durch die gegensinnige Durchflutung der
beiden Wicklungshälften der nicht für die Halteposition bestimmenden Phasenwicklung
die in ihnen induzierten Spannungen kurzgeschlossen werden, wodurch eine wirksame
elektrische Bedämpfung gegeben ist. Demgegenüber wird der Schrittmotor während der
Bewegung unter Ausnutzung des mit der Zweiphasenerregung erzielbaren höheren Drehmoments
im Zweiphasenbetrieb betrieben.
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Bei einer Bewegung des Schrittmotors um n-Schritte wird dazu zunächst
der in Bewegungsrichtung des Schrittmotors letzte Schalttransistor abgeschaltet,
woraufhin dieser einen ersten Halbschritt ausführt. Weitere n-1 (Voll)-Schritte
führt der Schrittmotor aus, indem wie im üblichen Zweiphasenbetrieb daraufhin jeweils
der in Bewegungsrichtung nächste Schalttransistor ein- und gleichzeitig der in Bewegungsrichtung
letzte Schalttransistor abgeschaltet wird Zuletzt wird der in Bewegungsrichtung
nächste Schalttransistor eingeschaltet, ohne daß der in Bewe-
gungsrichtung
letzte Schalttransistor abgeschaltet wird, wodurch der Schrittmotor einen weiteren,
zweiten Halbschritt ausführt und erneut in eine Halteposition gelangt, in der wiederum
drei der vier Wicklunyshälften der beiden Phasenwicklungen bestromt sind. Die Dauer
sowohl der Halbwie auch der(n-1)-Vollschritte kann dabei dem dynamischen Verhalten
des Motors so angepaßt werden, daß optimale Bewegungsabläufe erzielt werden können.
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Ausführungsbeispiel Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine au? die
wesentlichsten Teile beschränkte Schaltungsanordnung der Ansteuerung eines Zweiphasen-Permanentmagnet-Schrittmotors
mit Konstantstromquelle; Figw 2 eine analoge Darstellung der Schaltungsanordnung
gemäß Figur 1, wobei anstelle der Konstantstromquelle ein Vorwiderstand vorgesehen
ist; Fig. 3 ein Impulsdiagramm zu dem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in Unipolaransteuerung
betriebenen Zweiphasen-Permanentmagnet-Schrittmotor.
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Entsprechend den Darstellungen nach den Figuren 1 und 2 der dem Ausführungsbeispiel
der Erfindung zugrunde liegenden Zeichnung, weist der zweiphasig ausgebildete Permanentmagnet-Schrittmotor
1 zwei Phasenwicklungen A und B aufç die in je zwei Wicklungshälften Al und A2 sowie
B1 und B2 mit einem gemeinsamen Mittelpunkt unterteilt sind.
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Beide Wicklungsmittelpunkte werden entsprechend der Darstellung
in
Figur 1 der Zeichnung von einer Konstantstromquelle 2 gespeist, an deren Stelle
aber ebenso ein Vorwiderstand Rv vorgesehen werden kann, wie die Darstellung in
der Figur 2 der Zeichnung zeigt. In beiden Fällen liegt an der Konstantstromquelle
2 bzw. am Vorwiderstand RV die Betriebsspannung Ug an. Die Wicklungsenden der Wicklungshälften
Al, A2, B1 und B2 des Schrittmotors 1 werden in bekannter Weise durch entsprechende
Schalttransistoren 3, 4, 5 und 6 geschaltet. Um eine größtmögliche elektrische Dämpfung
zu erreichen, können, wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt, zur Optimierung der
Wicklungszeitkonstanten zwischen den Wicklungsenden der Wicklungshälften Al, A2,
B1 und B2 und den Kollektoren der zugeordneten Schalttransistoren 3 bis 6 entsprechende
Widerstände R vorgesehen werden.
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Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines
Zweiphasen-Permanentmagnet-Schrittmotors, wie er in der Beschreibung der Erfindung
beispielhaft zum Einstellen einer Typenscheibe in einem Schreib- oder Druckwerk
zur Anwendung gelangt, ist folgende: In Schreib- und Druckwerken von Schreib-, Druck-
oder ähnlichen Büromaschinen, in denen zur Erzeugung der Schriftzeichen eine alle
Typen tragende Typenscheibe vorgesehen ist, ist es erforderlich, diese für den Druckvorgang
positionsgenau in die jeweilige Abdruckposition einzustellen.
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Bei den hierzu eingesetzten Schrittmotorantrieben muß daher der Schrittmotor
aus seiner Halteposition in die durch die jeweilige AbdruckpospLion der Typenscheibe
bedingte Zielposition (erneute Halteposition) eingestellt werden.
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Zum Erreichen einer derart hohen Positioniergenauigkeit der Typenscheibeneinstellung
nutzt das erfindungsgemäße Verfahren die hohe Positioniergenauigkeit des Einphasen-
betriebes
von Schrittmotoren aus, wobei die daz notwendige elektrische Bedämpfung dadurch
erzielt wird, indem in der Halteposition außer der Wicklungshälfte derjenigen Phasenwicklung
des Schrittmotors, welche für die Halteposition bestimmend ist, auch die beiden
gegensinnig gepolten WicklungshälllSten der jeweils anderen Phasenwicklung eingeschaltet
werden. Nach dem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind ii.n der Halteposition des
Schrittmotors 1 die Schalttransistoren 3, 4 und 5 eingeschaltet und somit die Wicklungshälften
Al, A2 und B1 bestromt. Aufgrund der gegensinnigen Durchflutung der beiden Wicklungshälften
Al und A2 der Phasenwicklung A tritt keine Veränderung in der Halteposition des
Schrittmotors 1 ein. Dagegen werden die in ihnen durch Einschwingvorgänge induzierten
Spannungen kurzgeschlossen, so daß eine wirksame elektrische Bedämpfung in der Halteposition
des Schrittmotors 1 gegeben ist.
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Sofern der Schrittmotor 1 in eine genau definierte Zielposition, zum
Beispiel in die Abdruckstellung der Typenscheibe, eingestellt werden soll, muß dieser
um eine entsprechende Anzahl von (n)Schritten bewegt werden. Erfindungsgemäß wird
dazu im ersten Schritt des Verfahrens zunächst der in Bewegungsrichtung letzte Schalttransistor
3 des Schrittmotors 1 abgeschaltet, woraufhin die Uicklungshälfte A1 stromlos wird
und der Schrittmotor 1 einen crsten Halbschritt in Drehrichtung ausführt. Weitere
(n-1) Schritte führt der Schrittmotor 1 aus, indem in weiteren Verfahrensschritten
der jeweils in Bewegungsrichtung nächste Schalttransistor (6, 3, 4, 5 usw.) ein-
und gleichzeitig der in Bewegungsrichtung letzte Schalttransistor (4, 5, 6, 3 usw.)
abgeschaltet wird. In dieser Zeit arbeitet der Schrittmotor 1 im bekannten Zweiphasenbetrieb
und behält diese Arbeitsweise bis einen halben Schritt vor Erreichen der Zielposition
bei. Gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind zu dieser Zeit die
Schalttransistoren
3 und 4 eingeschaltet und folglich die Wicklungshälften Al und A2 bestromt. Im letzten
Verfahrensschritt wird nun der in Bewegungsrichtung des Schrittmotors 1 nächste
Schalttransistor 5 eingeschaltet, ohne daß der in Bewegungsrichtung letzte Schalttransistor
3 abgeschaltet wird. Der Schrittmotor 1 führt daraufhin einen zweiten Halbschritt
aus, womit dieser in die Zielposition gelangt, die einer erneuten Halteposition
entspricht, in der wiederum drei der vier Schalttransistoren (3, 4, 5) eingeschaltet
sind. Die daraus resultierende Bestromung dreier Wicklungshälften (A1, A2, B1) gewährleistet
eine wirksame elektrische Bedämpfung des Schrittmotors 1 in der Halteposition, wobei
durch das Kurzschließen einer der beiden Phasenwicklungen A oder B des Schrittmotors
1 eine maximale Spannung induziert wird, aus der letztendlich eine maximal dämpfende
Wirkung resultiert. Darüber hinaus erweist sich die Bestromung von drei Wicklungshälften
in der Halteposition des Schrittmotors 1 dahingehend als vorteilhaft, als daß sowohl
durch die zwischen den Kollektoren der Schalttransistoren 3 bis 6 und den bestromten
Wicklungshälften Al, A2, Bl und B2 vorgesehenen Widerstände R als auch die Wicklungshälften
selbst nur eine geringe Motorerwärmung und Leistungsaufnahme verursacht wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt die durch den Einphasenbetrieb
erreichbaren hohen Positioniergenauigkeiten zum Betrieb eines Zweiphasen-Permanentmagnet-Schrittmotors
aus, indem dieser in der Halteposition bei gleichzeitiger Erhöhung der wirksamen
elektrischen Bedämpfung im Einphasenbetrieb und während der Bewegung über mehrere
(n) 1) Schritte im Zweiphasenbetrieb betrieben wird. Dabei bleiben die Möglichkeiten
der Anwendung der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebenen Schrittmotoren
jedoch nicht allein auf den im Ausführungsbeispiel der Erfindung beschriebenen Fall
beschränkt, sondern sind vielmehr auch
überall dort gegeben, wo
mit zwei- oder mehrphasigen Schrittmotorantrieben hohe Positioniergenauigkeiten
erzielt werden sollen.
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Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen 1 Zweiphasen-Permanentmagnet-Schrittmotor
2 Konstantstromquelle 3 Schalttransistor 4 Schalt tran sis tor 5 Schalttransistor
6 Schalttransistor A Phasenwicklung Wicklungshälfte A2 Wicklungshälfte B Phasenwicklung
B1 Wicklungshälfte B2 Wicklungshälfte R Widerstand RV Vorwiderstand UB Betriebsspannung
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