DE3422368C2

DE3422368C2 -

Info

Publication number: DE3422368C2
Application number: DE3422368A
Authority: DE
Inventors: Shoji Yokohama Kanagawa Jp Yanagida
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1983-06-15
Filing date: 1984-06-15
Publication date: 1989-11-16
Also published as: US4525658A; DE3422368A1; JPS602088A

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Regeln der Drehzahl eines Servomotors nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine derartige Schaltungsanordnung zum Regeln der Drehzahl eines Servomotors ist aus der DE-OS 15 63 857 bekannt. Diese bekannte Schaltungsanordnung enthält die typischen Einrichtungen eines Regelkreises für einen Servomotor, und zwar eine Quelle für die Vorgabe von veränderbaren Befehlssignalen, welche die Soll-Drehzahl des Servomotors betreffen. Es ist eine Motordrehzahl-Detektoreinrichtung vorhanden, um ein der Ist-Drehzahl entsprechendes Signal zu erzeugen und schließlich auch eine Vergleichseinrichtung, um aus dem Ist- Wert-Sollwertvergleich ein Fehlersignal zu erzeugen, welches die Differenz zwischen Ist-Drehzahl und Soll-Drehzahl wiedergibt. Mit Hilfe einer Motortreibereinrichtung wird der betreffende Motor entsprechend dem Befehlssignal bzw. Fehlersignal in Drehung versetzt, um dadurch die Drehzahl so zu verändern, daß das Fehlersignal gegen Null geht. Bei dieser bekannten Schaltungsanordnung wird eine Verbesserung des Anlaufverhaltens des Servomotors angestrebt, d. h. es soll speziell ein Schalter vorgesehen werden, der das rotierende Bauteil mit der für einen Selbststart erforderlichen Energie versorgt.

Aus der DE-PS 97 62 77 ist eine Anordnung zur selbsttätigen stufenweisen Drehzahlregelung eines elektrischen Stellmotors bekannt, bei der ebenfalls ein Ist-Wert-Soll-Wertvergleich vorgenommen wird, um eine Fehlergröße bzw. Regelabweichung abzuleiten. Abhängig von der festgestellten Regelabweichung werden bei dieser bekannten Anordnung mehrere zwischen einem Motor und verschiedenen Spannungsstufen einer Stromquelle liegende Schütze aktiviert, so daß hierbei abhängig von der Regelabweichung die dem Motor zugeführte Spannung verändert wird.

Aus der DE-AS 14 63 248 ist eine Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors bekannt, wobei der Anker aus zwei in Reihe geschalteten Stromquellen gespeist werden kann. Die erste Stromquelle kann über die Emitter- Kollektor-Strecke eines einen Strom nur von der Stromquelle zum Anker durchlassenden Transistors an den Anker angeschlossen werden. Die Zuschaltung der zweiten Stromquelle erfolgt über einen Fliehkraftschalter. Diese bekannte Schaltungsanordnung arbeitet derart, daß zunächst bei geschlossenem Fliehkraftschalter der Gleichstrommotor aus beiden Stromversorgungsquellen gespeist wird und nach Erreichen einer bestimmten Drehzahl der Fliehkraftschalter öffnet, woraufhin der Gleichstrommotor nur von einer Stromquelle gespeist wird. Das Schalten der zweiten Stromquelle hängt damit vom Erreichen eines bestimmten Drehzahlzustandes ab, bei welchem der Fliehkraftschalter betätigt wird.

Aus dem Buch Oppelt Winfried "Kleines Handbuch technischer Regelvorgänge", 5. Aufl., Verlag Chemie, Weinheim, Seiten 596, 597, sind Schaltungsanordnungen zur Realisierung verschiedener Regelvorgänge bekannt, u. a. auch sog. stetig-ähnliche Regelungen, wobei auch zwei Regelkreise realisiert werden können, entsprechend einer großen Regelschleife und einer kleineren untergeordneten Regelschleife. Die untergeordnete kleinere Regelschleife wird als Zweipunktregelung betrieben, wobei die Ausgangsgröße der kleineren Regelschleife beispielsweise eine Dauerschwingung des Zweipunktregelvorganges anzeigen kann, jedoch innerhalb der großen Regelschleife nur der Mittelwert der Dauerschwingung zur Auswirkung gelangen kann, so daß in der großen Regelschleife der Regelvorgang mit Annäherung als stetig betrachtet werden kann.

Bekanntlich ist ein serieller Drucker für einen Rechner, einen Computer oder einen Wortprozessor mit einem umkehrbaren Gleichstrom-Servomotor versehen, um den Wagen des Druckers anzutreiben. Bekanntlich wird mit einem derartigen Servomotor der Wagen für eine Verschiebung (schrittweise Verschiebung) von einer Druckposition in die nächste, für eine Bewegung (Wagenrückführbewegung) aus einer Zeilenendposition in eine voreingestellte, dem linken Rand entsprechende Position und für eine Bewegung (Tabulierbewegung) aus einer voreingestellten Position in eine Tabulier-Stopp-Position angetrieben. Bei den beiden zuletzt angeführten Bewegungsarten des Druckerwagens muß der Servomotor mit weitaus höheren Drehzahlen betrieben werden als die Drehzahl, welche für die schrittweise Verschiebung des Wagens erforderlich ist. In einigen seriellen Druckern werden Wagenantriebs- Servomotore gefordert, um die Wagenrückführ- oder die Tabulier- Bewegung mit Geschwindigkeiten durchzuführen, welche zwei- bis sechsmal höher sind als die maximalen Betriebsgeschwindigkeiten oder -drehzahlen der Servomotore für die schrittweise Verschiebung der Wagen. Die schrittweise Verschiebung oder Bewegung des Wagens, wie sie hier erwähnt ist, ist die Verschiebung oder Bewegung des Wagens von einem Buchstaben zum nächsten, von einem Buchstaben zu einem Zwischenraum zwischen Worten, oder von einem Zwischenraum zwischen Worten zu einem Buchstaben.

Die Versorgungsspannung V _S für den Servomotor eines seriellen Druckers ist im allgemeinen gegeben durch:

V _S<(ω _max×K _E) + (I _M(max)×R _a) + V _CE(sat) (1)

wobei ω _max die maximale Winkelgeschwindigkeit (rad/s) der Motorausgangswelle darstellt, welche für die Wagenrückführ- oder Tabulierbewegung des Druckerwagens erforderlich ist, K _E den induktiven Spannungskoeffizienten (V/rad/s) darstellt, I _M(max) den maximalen Strom darstellt, welcher dem Servomtor zugeführt wird, R _a den Widerstand zwischen den Anschlüssen des Servomotors darstellt, und V _CE(sat) die Sättigungsspannung zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Motoransteuer-Leistungstransistors darstellt. Wie aus Gl. (1) zu ersehen ist, gilt, je höher die maximale, für die Motorausgangswelle erforderliche Winkelgeschwindigkeit ω _max ist, um so höher muß die Versorgungsspannung für den Motor sein.

Wenn der Servormotor bei der Einspeisung eines konstanten Stroms zu beschleunigen hat, ist der Gesamtenergieverbrauch P des Motoransteuer-Leistungstransistors während einer schrittweisen Verschiebung des Druckerwagens durch den folgenden Ausdruck gegeben:

wobei I _a den konstanten Strom darstellt, welche dem Motor bei einer Beschleunigung zugeführt wird, t₁ den Zeitabschnitt darstellt, während welchem der Motor beschleunigt wird, t₂ den Zeitabschnitt darstellt, während welchem der Motor verzögert wird, bis der Motor gestoppt ist, ω₁ die Winkelgeschwindigkeit der zu beschleunigenden Motorausgangswelle darstellt, ω₂ die Winkelgeschwindigkeit der zu verzögernden Motorausgangswelle darstellt, und I _d den Mittelwert des Stroms darstellt, welcher dem Motor während einer Verzögerung zugeführt wird. Hierbei ist der Strom I _a während einer Beschleunigung größer als der Strom I _d während einer Verzögerung, da im allgemeinen der Verzögerungswert annähernd die Hälfte des Beschleunigungswerts ist, und da der Motor während einer Beschleunigung und Verzögerung nicht nur einer Trägheitsbelastung, sondern auch einem Reibungsdrehmoment ausgesetzt ist. Aus Gl. (2) ist zu ersehen, daß je höher die Versorgungsspannung V₂ und/oder je niedriger die Winkelgeschwindigkeit ω₁ der Motorausgangswelle bei einer Verzögerung ist, umso größer der Gesamtenergieverbrauch des Motoransteuer-Leistungstransistors ist.

Damit ein Servomotor, welcher den Wagen eines seriellen Druckers antreibt, eine Drehzahl erzeugen kann, die für die Rücklauf- oder Tabulierbewegung des Wagens erforderlich ist, sollte daher an den Servomotor eine Spannung angelegt werden, welche hoch genug ist, um der Beziehung der Gl. (1) zu genügen. Ein Erhöhen der Speisespannung für den Servomotor in einem derartigen Umfang führt jedoch zu einem Anstieg in dem Gesamtenergieverbrauch des Motoransteuer- Leistungstransistors während einer schrittweisen Verschiebung des Wagens, wenn der Druckerwagen mit einer verhältnismäßig niedrigen Drehzahl angetrieben wird, wie aus Gl. (2) zu ersehen ist. Das Ansteigen in dem Gesamtenergieverbrauch könnte wiederum zu einer Überhitzung des Transistors führen, und um das Auftreten eines derartigen Vorfalls auszuschließen, müßten für den Leistungstransistor besonders wirksame Kühleinrichtungen vorgesehen werden. Das Vorsehen solcher besonderer Kühleinrichtungen hat jedoch wiederum höhere Herstellungskosten sowie eine Zunahme im Gewicht und Größe des seriellen Druckers zur Folge. Die Wärme, die von dem Leistungstransistor erzeugt wird, würde wiederum eine Verschlechterung der Zuverlässigkeit des Druckers bewirken.

Eine Möglichkeit, einen Motor mit einer höheren Drehzahl zu betreiben, ohne den Energieverbrauch an einem Leistungstransitor zu erhöhen, besteht darin, daß ein Zerhackerschalter des "H"-Typs verwendet wird, mit welchem der Basisstrom des Motoransteuer-Leistungstransistors zerhackt wird, um den Strom an- und auszuschalten, welcher dem Motor zugeführt wird. Eine der Schwierigkeiten bei der Verwendung einer derartigen Schaltanordnung besteht darin, daß Geräusche durch die Schaltvorgänge des Zerhackerschalters erzeugt werden, welche bei Frequenzen auftreten, die hauptsächlich in den hörbaren Bereich fallen. Eine andere Schwierigkeit ist das Erzeugen von Störungen, welche durch das wiederholte Ausschalten des Leistungstransistors hervorgerufen werden und welche für Fehler im Betrieb der Schaltung sowie der Schaltungselemente verantwortlich sind, welche dem Leistungstransitor wirksam zugeordnet sind.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine Schaltungsanordnung zum Regeln der Drehzahl eines Servomotors der angegebenen Gattung zu schaffen, welche eine kontinuierliche, stoßfreie Regelung der Drehzahl des Servomotors über einen vergleichsweise weiten Drehzahlbereich hinweg bei geringen Energieverlusten ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Durch die vorliegende Erfindung wird erreicht, daß ein Servomotor angetrieben werden kann, ohne daß der Motoransteuertransistor eine übermäßig große Energiemenge insbesondere dann verbraucht, wenn der Servomotor mit verhältnismäßig niedrigen Drehzahlen zu betreiben ist. Auch kann der Servomotor von einer Stromquelle mit höherer Spannung versorgt werden, wenn der Servomotor mit verhältnismäßig hohen Drehzahlen betrieben werden muß, wobei trotzdem eine stoßfreie Regelung über einen vergleichsweise weiten Drehzahlbereich hinweg erreicht wird.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 7.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm, in welchem schematisch eine bevorzugte Ausführungsform einer Schaltungsanordnung mit Merkmalen nach der Erfindung dargestellt ist;

Fig. 2 ein Diagramm der Spannungsverläufe der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung;

Fig. 3 eine ins einzelne gehende Schaltungsanordnung der in Fig. 1 wiedergegebenen Ausführungsform; und

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Wellenformen verschiedener Signale, welche in der Schaltungsanordnung der Fig. 3 auftreten.

In Fig. 1 ist schematisch ein umkehrbarer Gleichstrom-Servomotor 10 dargestellt, mit welchem der nicht dargestellte Wagen eines ebenfalls nicht dargestellten, seriellen Druckers angetrieben wird. Von dem Servomotor 10 wird der Wagen für eine schrittweise Verschiebung von einer Druckposition zur anderen, für eine Wagenrückführbewegung aus einer Zeilenendposition in eine voreingestellte Position und für eine Tabulierbewegung von einer voreingestellten linken Randposition in eine Tabulier-Stopp-Position angetrieben.

Eine Schaltungsanordnung mit Merkmalen nach der Erfindung wird dazu verwendet, um den Servomotor 10 anzusteuern, und weist einen Digital-Analog-Umsetzer 12 (D/A) auf, dessen Eingangsanschlüsse über Datensammelleitungen 14 mit einer entsprechenden Befehlssignalquelle, wie einer Drucksteuereinheit eines Druckers oder eines Wortprozessors, verbunden sind (was im einzelnen nicht dargestellt ist). Binärdaten, welche die Drehzahl vorschreiben, mit welcher ein Servomotor 10 zu betreiben ist, werden folglich durch den Digital- Analog-Umsetzer 12 in ein analoges Befehlssignal V _com umgesetzt, welches am Ausgangsanschluß des Umsetzers 12 anliegt.

In der Schaltungsanordnung wird das von dem Umsetzer 12 erzeugte, analoge Befehlssignal V _com einer ersten Summierschaltung 16 für einen Vergleich mit einem Signal zugeführt, welches eine festgestellte Motordrehzahl darstellt, um, wenn überhaupt, einen Fehler zwischen der durch das Befehlsignal dargestellten Drehzahl und der Ist-Motordrehzahl herauszufinden. Hierzu wird ein entsprechender Motordrehzahl-Fühler in Verbindung mit dem Servomotor 10 vorgesehen, um die Ausgangsdrehzahl des Motors 10 zu fühlen. Ein derartiger Motordrehzahl-Fühler soll hier durch einen rotierenden Kodierer 18 (ENC) und einen Frequenz-Spannungs-Umsetzer 20 (F-V) gebildet sein.

Der rotierende Motordrehzahl-Kodierer 18 ist beispielsweise eine elektromagnetische oder optische Einrichtung, welche mechanisch oder auf andere Weise mit der Ausgangswelle des Servomotors 10 verbunden ist. Der Kodierer 18 ist somit wirksam, um zwei sinusförmige Signale Φ₁ und Φ₂ mit Frequenzen zu erzeugen, welche mit der festgestellten Ausgangsdrehzahl des Motors 10 veränderlich ist. Die sinusförmigen Signale Φ₁ und Φ₂ sind zueinander um 90° in der Phase verschoben, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Diese beiden sinusförmigen Signale Φ₁ und Φ₂ werden dem Frequenz- Spannungsumsetzer 20 zugeführt und werden dadurch in eine Spannung umgesetzt, welche sich kontinuierlich mit den Frequenzen der sinusförmigen Signale Φ₁ und Φ₂ ändert, und welche die festgestellte Ausgangsdrehzahl des Motors 10 darstellt. Die von dem Umsetzer 20 erzeugte Spannung bildet ein festgestelltes Drehzahlsignal V _det und stellt die Ausgangsdrehzahl des Servomotors 10 dar, die mittels des Kodierers 13 festgestellt worden ist. Ein Ausgangsanschluß des Umsetzers 20 ist mit der ersten Summierschaltung 16 verbunden, um ein Fehlersignal V _e zu erzeugen, welches, wenn überhaupt, die Differenz zwischen den Spannungen des Befehlssignals V _com, das von dem Umsetzer 12 geliefert worden ist, und des gefühlten Drehzahlsignals V _det darstellt, das von dem Umsetzer 20 geliefert worden ist. Folglich dient die erste Summierschaltung 16 in der dargestellten Ausführungsform als Fehlerfeststelleinrichtung.

Das Fehlersignal V _e wird mittels einer Reihenschaltung aus einem ersten Drehzahlsteuer-Operationsverstärker 22 (OP1) und einem zweiten Stromsteuer-Operationsverstärker 24 (OP2) verstärkt, und das sich ergebende Spannungssignal wird einer Motoransteuerschaltung 26 (DRV) zugeführt. Der Servomotor 10 wird mit einem Strom erregt, welcher durch das Spannungssignal veränderbar ist, das der Schaltungsanordnung 26 zugeführt worden ist. Wie im einzelnen noch beschrieben wird, ist die Schaltungsanordnung 26 entsprechend ausgelegt und angeordnet, um den Servomotor 10 mit einem Strom zu versorgen, der in entsprechender Weise gesteuert ist, um das vorstehend erwähnte Fehlersignal V _e auszuschließen, d. h. die Ausgangsdrehzahl des Servomotors 10 annähernd mit der Drehzahl gleichzusetzen, welche durch die ursprünglichen digitalen Befehlssignale dargestellt ist, die von dem Digital-Analog-Umsetzer 12 geliefert worden sind.

In diesem Fall erscheint dann eine Spannung, welche mit dem Strom I _M, welcher dem Motor 10 zugeführt ist, veränderbar ist, an einem Widerstand 28, welcher zwischen den Motor 10 und Erde geschaltet ist. Die Spannung, die folglich mit dem Motoransteuerstrom I _M veränderbar ist, wird über eine Leitung 30 zu einer zweiten Summierschaltung 32 rückgekoppelt, welche zwischen den Operationsverstärkern 22 und 24 vorgesehen ist, und wird von dem verstärkten Fehlersignal subtrahiert, das von dem Drehzahlsteuer- Operationsverstärker 22 geliefert wird. Der Strom, welcher dem Servomotor 10 zuzuführen wird, kann auf diese Weise niedriger gehalten werden als ein vorbestimmter Maximalwert, so daß verhindert ist, daß der Servomotor 10 mit einem übermäßig hohen Strom erregt wird.

Die Schaltungsanordnung ist, welche die oben beschriebene Grundausführung hat, mit ersten und zweiten Stromquellen für die Schaltungsanordnung 26 und die Schalteinrichtung versehen, die dazu verwendet wird, eine der beiden Stromquellen in Abhängigkeit von der Drehzahl auszuwählen, mit welcher der Servomotor 10 betrieben wird. Die beiden Stromquellen sind so ausgelegt, daß die Spannung von der ersten Stromquelle höher ist als die Spannung der zweiten Stromquelle. Die Schalteinrichtung spricht auf das gefühlte Drehzahlsignal V _det von dem Frequenz-Spannungsumsetzer 20 an und ist wirksam, um die erste Stromquelle auszuwählen, wenn das gefühlte Drehzahlsignal V _det in seiner Spannung auf einen ersten vorbestimmten Schwellenwert angestiegen ist, und um die zweite Stromquelle auszuwählen, wenn das gefühlte Drehzahlsignal in seiner Spannung auf einen zweiten vorbestimmten Schwellenwert abgenommen hat, welcher niedriger als der erste Schwellenwert ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform einer Schaltungsanordnung mit Merkmalen nach der Erfindung weist eine derartige Schalteinrichtung eine Schmitt-Trigger-Schaltung 34 auf, von welcher ein Eingangsanschluß mit dem Ausgangsanschluß des Umsetzers 20 und ein Ausgangsanschluß mit einem Steueranschluß der Schaltungsanordnung 26 verbunden ist. Die Schmitt-Trigger-Schaltung 34 spricht somit auf die Ausgangsspannung V _det von dem Umsetzer 20 an und ist wirksam, um ein Ausgangssignal mit einem niedrigen Spannungspegel, wenn die Spannung V _det auf einen ersten Schwellenwertpegel V _T+ ansteigt, und um ein Ausgangssignal mit einem hohen Spannungspegel zu erzeugen, wenn die Spannung V _det auf einem zweiten Schwellenwertpegel V _T- abfällt, welcher etwas niedriger ist als der erste Schwellenwertpegel V _T+.

In diesem Fall kann jeder der Schwellenwertpegel V _T+ und V _T- entweder fest oder einstellbar sein. Die Schaltungsanordnung 26, welche mit einem Signal mit niedrigen Spannungspegel von der Schmitt-Trigger-Schaltung 34 versorgt worden ist, wird betrieben, um die Versorgungsspannung für den Servomotor 10 von einem positiven oder negativen niedrigen Spannungspegel V _L oder -V _L auf einen positiven oder negativen hohen Spannungspegel V _H oder -V _H in Abhängigkeit von der Polarität aus der Schaltungsanordnung 26 zugeführten Fehlersignals zu verschieben. Entsprechend einem Signal mit dem hohen Spannungspegel von der Schaltung 34 arbeitet dagegen die Schaltungsanordnung 26 so, daß die Versorgungsspannung für den Motor 10 in umgekehrter Richtung von dem hohen Spannungspegel V _H oder -V _H auf den niedrigen Spannungspegel V _L oder -V _L in Abhängigkeit von der Polarität des der Schaltung zugeführten Fehlersignals verschoben wird, was anhand der nachstehenden Beschreibung noch verständlicher wird.

In Fig. 3 ist die ins einzelne gehende Schaltungsanordnung der vorstehend anhand von Fig. 1 beschriebenen Ausführungsform dargestellt, während in Fig. 4 Wellenformen verschiedener Signale dargestellt sind, welche in der Schaltungsanordnung der Fig. 3 erscheinen.

In Fig. 3 ist die erste oder Drehzahlsteuer-Operationsverstärkerschaltung 22 dargestellt, die als Integrator ausgeführt ist und einen Operationsverstärker 36 mit invertierenden und nicht-invertierenden Eingangsanschlüssen sowie einen Rückkopplungswiderstand 38 aufweist, welchem ein Kondensator 40 parallel geschaltet ist. Der invertierende Eingangsanschluß des Verstärkers 36 ist mit der ersten Summierschaltung 16 und folglich mit dem Ausgangsanschluß des Frequenz-Spannungsumsetzers 40 verbunden, welcher in Form eines Blockschaltbildes in Fig. 3 rechts unten dargestellt ist. Der nicht-invertierende Eingangsanschluß des Verstärkers 36 ist über einen Widerstand 42 geerdet, welcher als eine Bezugsspannungsquelle für den Verstärker 36 dient. Der Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 36 ist über einen Widerstand 44 und eine Diode 46 mit einer (nicht dargestellten) Klemmschaltung mit einem vorbestimmten positiven Pegel +V _Z und über den Widerstand 44 und eine Diode 46′ mit einer Klemmschaltung mit einer vorbestimmten negativen Spannung -V _Z verbunden. Jede dieser Klemmschaltungen kann eine Diode aufweisen.

Die zweite oder Stromsteuer-Operationsverstärkerschaltung 24 weist einen Operationsverstärker 48 mit invertierenden und nicht-invertierenden Eingangsanschlüssen und einen Rückkopplungswiderstand 50 auf. Der invertierende Eingangsanschluß des Verstärkers 48 ist über einen Widerstand 52 mit dem Ausgangsanschluß des Verstärkers 36 und über einen Widerstand 54 mit einer bereits vorher erwähnten Leitung 30 verbunden, die von dem Servomotor 10 kommt. Der nicht-invertierende Eingangsanschluß des Verstärkers 48 ist über einen Widerstand 56 geerdet, welcher als eine Bezugsspannungsquelle für den Verstärker 48 dient. Der nicht-invertierende Eingangsanschluß des Verstärkers 48 ist ferner über die Reihenschaltung aus einem Widerstand 56 und einem Widerstand 58 mit der Leitung 30 verbunden, so daß der vorstehend erwähnte Widerstandswert 28 (Fig. 1) durch die Verknüpfung der Widerstände 54 und 58 gebildet ist. Die so ausgelegte und angeordnete Stromsteuer-Operationsverstärkerschaltung 24 ist über einen Widerstand 60 mit dem Eingangsanschluß der Schaltungsanordnung 26 verbunden.

Der Ausgangsanschluß des Frequenz-Spannungsumsetzers 20 ist, wie vorher beschrieben, mit der ersten Summierschaltung 16 und ferner mit dem Eingangsanschluß der Schmitt- Trigger-Schaltung 34 verbunden, deren Ausgangsanschluß mit dem Eingangsanschluß eines ersten Inverters 52 verbunden ist. Der Ausgangsanschluß des Inverters 52 ist mit der Basis eines ersten Schalttransistors 64 des npn-Typs und ferner mit dem Eingangsanschluß eines zweiten Inerters 62′ verbunden. Der Ausgangsanschluß des zweiten Inverters 62′ ist über einen Widerstand 66′ mit der Basis eines zweiten Schalttransistors 64′ des pnp-Typs verbunden. Der Emitter des ersten Schalttransistors 64 ist geerdet, und dessen Basis ist über einen Widerstand 66 mit einer konstanten positiven Spannung V _cc verbunden. Ein Widerstand 68 ist zwischen Basis und Emitter des Schalttransistors 64 geschaltet, um dazwischen eine Vorspannung herzustellen. Der Emitter des zweiten Schalttransistors 64′ ist mit einer konstanten positiven Spannung V _cc über einen Widerstand 68′ vorgespannt, welcher zwischen die Basis und den Emitter des Transistors 64′ geschaltet ist, um dazwischen eine Vorspannung zu schaffen. Die Kollektoren der beiden Schalttransistoren 64 und 64′ sind über Widerstände 70 und 70′ mit den Basen von dritten bzw. vierten Schalttransistoren 70 und 72 verbunden. Der Emitter des dritten Schalttransistors 72, welcher ein pnp-Transistor ist, ist mit einer Quelle mit einer positiven hohen Spannung +V _H verbunden, und zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors 72 ist mittels eines dazwischen vorgesehenen Widerstands 74 eine Vorspannung geschaffen. Der Emitter des vierten Schalttransistors 72′, welcher ein npn-Transistor ist, ist mit einer Quelle mit einer negativen hohen Spannung -V _H verbunden, und zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors 72′ ist mittels eines dazwischen vorgesehenen Widerstands 74′ eine Vorspannung geschaffen. Die Schmitt-Trigger-Schaltung 34, die Inverter 62 und 62′, die Transistoren 64 und 64′, 72 und 72′, welche, wie vorstehend beschrieben, angeordnet sind, bilden zusammen die vorher erwähnte Schalteinrichtung in einer Schaltungsanordnung mit Merkmalen nach der Erfindung. Ferner stellt jeder der Transistoren 64 und 64′ ein erstes Halbleiter- Schaltelement dar, und jeder der Transistoren 72 und 72′ stellt ein zweites Halbleiter-Schaltelement in der Schaltungsanordnung dar.

Der Kollektor des dritten Schalttransistors 72 ist mit dem Emitter eines ersten Motoransteuertransistors 76 des pnp- Typs verbunden, und der Kollektor des vierten Schalttransistors 72′ ist mit dem Emitter eines zweiten Motoransteuertransistors 76′ des pnp-Typs verbunden. Der Emitter des ersten Motoransteuertransistors 76 ist parallel zu dem Kollektor des Transistors 72 geschaltet und über eine Diode 78 mit einer Quelle mit einer positiven niedrigen Spannung +V _L verbunden; genauso ist der Emitter des zweiten Motoransteuertransistors 76′ parallel zu dem Kollektor des Transistors 72′ geschaltet und über eine Diode 78′ mit einer Quelle mit einer niedrigen negativen Spannung -V _L verbunden. Die Kollektoren der Transistoren 76 und 76′ sind mit den positiven bzw. negativen Klemmen des Servomotors 10 und über eine Reihenschaltung aus Widerständen 80 und 82 gemeinsam mit Erde verbunden.

Die Inverter 62 und 62′, die Transistoren 64 und 64′, 72 und 72′ sowie 76 und 76′, welche, wie vorstehend beschrieben, angeordnet sind, bilden einen Teil der Schaltungsanordnung 26, welche ferner erste und zweite Steuertransistoren 84 und 84′ des pnp- bzw. npn-Typs aufweist. Die Basen der Steuertransistoren 84 und 84′ sind über einen Widerstand 60 parallel zu der Stromsteuer-Operationsverstärkerschaltung 24 geschaltet, und die entsprechenden Emitter sind gemeinsam über den vorerwähnten Widerstand 82 geerdet. Der Kollektor des ersten Steuertransistors 84 ist über den dritten Schalttransistor 72 und einen Widerstand 86 parallel zu der Quelle mit der positiven hohen Spannung +V _H und über den Widerstand 86 und eine Diode 78 zu der Quelle mit der positiven, niedrigen Spannung +V _L geschaltet. In ähnlicher Weise ist der Kollektor des zweiten Steuertransistors 84′ über den vierten Schalttransistor 72′ und einen Widerstand 86′ parallel zu der Quelle mit der negativen hohen Spannung -V _H und über den Widerstand 86′ und die Diode 78′ zu der Quelle mit der negativen niedrigen Spannung -V _L geschaltet. Der Widerstand 86 schafft eine Vorspannung zwischen dem Emitter und der Basis des ersten Motoransteuertransistors 76, und in ähnlicher Weise schafft der Widerstand 86′ eine Vorspannung zwischen dem Emitter und der Basis des zweiten Motoransteuertransistors 76′. Eine Schutzdiode 88 ist in Durchlaßrichtung zu der Stromquelle zwischen den Kollektor des ersten Motoransteuertransistors 76 und die Quelle mit der positiven hohen Spannung +V _H geschaltet; in ähnlicher Weise ist eine Schutzdiode 88′ in Durchlaßrichtung zu der Stromquelle zwischen den Kollektor des zweiten Motoransteuertransistors 76′ und die Quelle mit der negativen hohen Spannung -V _H geschaffen. Die Motoransteuertransistoren 76 und 76′ sowie die Steuertransistoren 84 und 84′, welche, wie oben beschrieben, angeordnet sind, bilden eine Ansteuereinrichtung für den Servomotor in einer Schaltungsanordnung mit Merkmalen nach der Erfindung.

Nachstehend wird im Hinblick auf die Arbeitsweise der so ausgeführten Schaltungsanordnung fortlaufend auf Fig. 1 bis 4 Bezug genommen.

Wenn digitale Befehlssignale, welche eine Sollausgangsdrehzahl und eine gewünschte Drehrichtung des Servomotors 10 darstellen, über Leitungen 14 dem Digital-Analog-Umsetzer 12 (Fig. 1) zum Starten des Servomotors 10 zugeführt werden, erscheint ein analoges Befehlssignal V _com, welches sich aus den digitalen Befehlssignalen ergibt, am Ausgangsanschluß des Umsetzers 12. Andererseits erzeugt der Kodierer 18 sinusförmige Signale Φ₁ und Φ₂ (Fig. 2), welche in der Frequenz entsprechend der gefühlten Motorausgangsdrehzahl veränderlich sind. Diese sinusförmigen Signale Φ₁ und Φ₂ werden mittels des Frequenz-Spannungs-Umsetzers 20 in ein Spannungssignal V _det umgesetzt, welches die gefühlte Ist-Motorausgangsdrehzahl darstellt. Das Spannungssignal V _det wird der Summierschaltung 16 zugeführt, so daß ein Fehlersignal V _e, welches die Differenz zwischen der Soll- und der gefühlten Ist-Drehzahl des Servomotors 10 darstellt, dem Verstärker 36 der Drehzahlsteuer-Operationsverstärkerschaltung 22 zugeführt wird. Das Fehlersignal V _e, das auf diese Weise an dem Ausgangsanschluß der Summierschaltung 16 erzeugt worden ist, hat eine Polarität, welche der gewünschten Drehrichtung des Servomotors 10, d. h. der Richtung entspricht, in welcher der Wagen des seriellen Druckers für eine Verschiebung oder Bewegung anzutreiben ist. Wenn es in diesem Fall vorkommt, daß die Spannung des Fehlersignals V _e mit positiver oder negativer Polarität im Absolutwert höher als die vorbestimmte Klemmspannung +V _Z oder -V _Z ist, wird die Fehlerspannung V _e an dem speziellen Spannungspegel +V _Z oder -V _Z gehalten bzw. festgeklemmt, wie aus Kurve (D) in Fig. 4 zu ersehen ist. Das durch die Operationsverstärkerschaltung 22 verstärkte Fehlersignal V _e wird dann durch den Verstärker 48 der Stromsteuer-Operationsverstärkerschaltung 24 weiter verstärkt und wird dann den Basen der beiden Steuertransistoren 84 und 84′ zugeführt.

Das gefühlte, von dem Umsetzer 20 erzeugte Drehzahlsignal V _det wird nicht nur der Summierschaltung 16, sondern auch der Schmitt-Trigger-Schaltung 34 zugeführt. Bevor der Servomotor 10 gestartet wird, wird die Eingangsspannung der Schmitt-Trigger-Schaltung 34 niedriger gehalten als die beiden Schwellenwertpegel V _T+ und V _T- der Schaltung 34, welche folglich wirksam wird, um ein Ausgangssignal mit einem hohen Spannungspegel zu erzeugen. Das von der Schmitt-Trigger-Schaltung 34 gelieferte Signal wird mittels des ersten Inverters 62 in ein Signal mit einem niedrigen Spannungspegel umgewandelt. Das Ausgangssignal von dem Inverter 62 wird dann durch den zweiten Inverter 62′ in ein Signal mit einem hohen Pegel umgewandelt. Bei dem Vorhandensein des Signals mit einem niedrigen Spannungspegel an dem Ausgangsanschluß des Inverters 62 und bei Vorhandensein des Signals mit einem hohen Spannungspegel an dem Ausgangsanschluß des Inverters 62′ bleiben die beiden Schalttransistoren 64 und 64′ in nicht-leitendem Zustand. Wenn die Transistoren 64 und 64′ nicht-leitend gehalten werden, werden auch die beiden Schalttransistoren 72 und 72′ in nicht-leitendem Zustand gehalten, so daß die Motoransteuertransistoren 76 und 76′ von den Quellen mit den hohen Spannungen +V _H bzw. -V _H getrennt sind. Unter diesen Bedingungen sind dann die Transitoren 76 und 76′ über die Dioden 78 und 78′ mit den Quellen mit den niedrigen Spannungen +V _L und -V _L verbunden.

Wenn das Fehlersignal V _e, welches, wie oben beschrieben, an der ersten Summierschaltung 16 erzeugt worden ist, positive Polarität hat, wird durch das Spannungssignal von dem Operationsverstärker 48 der erste Steuertransistor 84 angeschaltet; wenn das Fehlersignal V _e negative Polarität hat, wird durch das Spannungssignal von dem Verstärker 48 der zweite Steuertransistor 84′ angeschaltet. Wenn entweder der Transistor 84 oder der Transistor 84′ in leitendem Zustand ist, wird der erste bzw. der zweite Motoransteuertransistor 76 oder 76′ angeschaltet. Folglich wird die niedrige Spannung +V _L oder -V _L über die Diode 78 oder 78′ und den Transistor 76 oder 76′ an den Servomotor 10 angelegt, welcher auf diese Weise betätigt wird, um mit einer Drehzahl zu arbeiten, die von der Spannung vorgeschrieben ist, welche an die Basis des Steuertransistors 84 oder 84′ angelegt worden ist. Nachdem der Servomotor 10 auf diese Weise gestartet ist, wird eine Spannung, welche dem Strom I _M entspricht, welcher dem Motor zugeführt worden ist, über den Widerstand 54 an den invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 48 angelegt, so daß der Motoransteuerstrom I _M konstant gehalten ist.

Wenn der auf diese Weise gestartete Servomotor 10 entsprechend den an den Digital-Analog-Umsetzer 12 angelegten Befehlsignalen beschleunigt wird, erreicht das Ausgangssignal von der Schmitt-Trigger-Schaltung 34 den ersten Schwellenwertpegel V _T+. Ein Signal mit einem niedrigen Spannungspegel erscheint nunmehr an dem Ausgangsanschluß der Schmitt-Trigger-Schaltung 34, wie aus der Kurve (A) der Fig. 4 zu ersehen ist, und es wird durch den ersten Inverter 62 in ein Signal mit einem hohen Spannungspegel umgewandelt. Das Ausgangssignal von dem Inverter 62 wird an die Basis des ersten Schaltransistors 64 angelegt, welcher dadurch angeschaltet wird. Das Signal von dem Inverter 62 wird auch dem zweiten Inverter 62′ zugeführt und in ein Signal mit einem niedrigen Spannungspegel umgewandelt, welches dann an die Basis des zweiten Schalttransistors 64′ angelegt wird. Die beiden Schalttransistoren 64 und 64′ sind somit gesättigt und befinden sich in leitendem Zustand, wodurch die dritten und vierten Schalttransistoren 72 und 72′ angeschaltet werden, wie aus einer Kurve (B) in Fig. 4 zu ersehen ist. Hieraus folgt, daß die hohe Spannung +V _H oder -V _H über den Transistor 72 oder 72′ und den Motoransteuertransistor 76 oder 76′ an den Servomotor 10 angelegt wird, welcher somit von der Quelle mit der Spannung +V _H oder -V _H erregt wird und welcher dann mit einer Drehzahl betrieben wird, welche durch die Spannung vorgeschrieben ist, welche an die Basis des Steuertransistors 84 oder 84′ angelegt ist.

Wenn sich der von dem Servomotor 10 angetriebene Druckerwagen der Soll-Position nähert, nimmt die Motordrehzahl, welche durch die Befehlssignale, welche dem Digital-Analog- Umsetzer 12 zugeführt worden sind, dargestellt ist, allmählich ab, und der Servomotor 10 wird dadurch verzögert. Wenn die Ausgangsdrehzahl des Servomotors 10 herabgesetzt ist, nimmt der Spannungspegel des gefühlten Drehzahlsignals V _det, das von dem Umsetzer 20 erzeugt worden ist, dementsprechend ab. Wenn das Signal V _det den zweiten Schwellenwertpegel V _T- der Schmitt-Trigger-Schaltung 34 erreicht, wird das Ausgangssignal von der Schaltung 34 zu einem Signal mit einem hohen Spannungspegel verschoben. Das Signal mit dem hohen Spannungspegel wird dann mittels des ersten Inverters 62 in ein Signal mit einem niedrigen Spannungspegel umgesetzt. Das Ausgangssignal von dem Inverter 62 wird ferner durch den zweiten Inverter 62′ in ein Signal mit einem hohen Pegel umgesetzt. Die ersten und zweiten Schalttransistoren 64 und 64′ werden somit in einen nicht-leitenden Zustand gebracht, so daß die dritten und vierten Schalttransistoren 72 und 72′ ebenfalls abgeschaltet werden. Die Motoransteuertransistoren 76 und 76′ sind nunmehr von den Quellen mit den hohen Spannungen +V _H bzw. -V _H getrennt und über die Dioden 78 bzw. 78′ mit den Quellen mit den niedrigen Spannungen +V _L und -V _L verbunden. Der Servomotor 10 ist somit von der Quelle mit der niedrigen Spannung +V _L oder -V _L für einen zweiten Zeitabschnitt erregt.

Zu dem Zeitpunkt, wenn die Ansteuerspannung für den Servomotor 10 von der hohen Spannung +V _H oder -V _H auf die niedrige Spannung +V _L oder -V _L verschoben wird, dreht sich die Ausgangswelle des Servomotors 10 mit einer Winkelgeschwindigkeit ω _s (rad/s), welche der folgenden Beziehung genügt:

Die Stromquelle für den Servomotor 10 ist dann bei einer solchen Motordrehzahl von dem hohen Pegel +V _H oder -V _H auf die niedrige Spannung +V _L oder -V _L oder umgekehrt verschoben; der Servomotor 10 wird dann von der Quelle mit der hohen Spannung +V _H oder -V _H erregt, wenn der Servomotor 10 bei Drehzahlen arbeitet, welche höher als die spezielle Drehzahl ist, und er wird von der Quelle mit der niedrigen Spannung +V _L oder -V _L erregt, wenn der Servomotor 10 bei Drehzahlen arbeitet, die niedriger als die spezielle Drehzahl sind. Dies bedeutet, daß die Stromquelle für den Servomotor 10, wie sie in Gl. (2) enthalten ist, eine Spannung gleich dem hohen Spannungspegel +V _H oder -V _H nur während des Motorbetriebs mit verhältnismäßig hohen Drehzahlen hat, und während eines Motorbetriebs mit verhältnismäßig niedrigen Drehzahlen eine Spannung aufweist, die auf den niedrigen Spannungspegel +V _L oder -V _K herabgesetzt ist. Die Spannung V _CE, welche zwischen dem Kollektor und dem Emitter jedes der Motoransteuertransistoren 76 und 76′ entwickelt worden ist, und folglich der Energieverbrauch durch jeden dieser Transistoren ist aus diesem Grund während des Betriebs des Servomotors 10 mit verhältnismäßig niedrigen Drehzahlen niedriger als während eines Betriebs des Motors mit verhältnismäßig hohen Drehzahlen.

Claims

1. Schaltungsanordnung zum Regeln der Drehzahl eines Servomotors, mit

a) einer Stromversorgung, um dem Servomotor (10) einen Motorantriebsstrom (I _m) zuzuführen,
b) einer Quelle (12, 14) für ein veränderliches Befehlssignal (V _com), welches die Solldrehzahl wiedergibt,
c) mit einem Motordrehzahlfühler (18, 20), um die Ist-Drehzahl zu erfassen und ein dementsprechendes Drehzahlsignal (V _det) zu erzeugen,
d) einer Vergleichseinrichtung (16) zum Vergleichen des veränderbaren Befehlssignals (V _com) mit dem festgestellten Drehzahlsignal (V _det), um ein Fehlersignal (V _e) zu erzeugen, welches die Differenz zwischen dem Befehlssignal (V _com) und dem festgestellten Drehzahlsignal (V _det) wiedergibt, und
e) einer auf das Fehlersignal (V _e) ansprechende Motortreibereinrichtung (26), die um den Motor-Treiberstrom im Sinne einer Beseitigung des Fehlersignals (V _e) zu verändern,

dadurch gekennzeichnet, daß

f) die Stromversorgung aus einer ersten und einer zweiten Stromquelle besteht, die vorbestimmte Spannungen aufweisen, wobei die Spannung (+V _H, -V _H) der ersten Stromquelle größer ist als die Spannung (+V _L, -V _L) der zweiten Stromquelle,
g) ein Spannungspegel-Detektor (34) vorgesehen ist, der auf das Drehzahlsignal (V _det) des Motordrehzahlfühlers (18, 20) anspricht und die ein erstes Schaltsteuersignal erzeugt, wenn das festgestellte Drehzahlsignal (V _det) größer ist als ein erster Schwellenwert, und die ein zweites Schaltsteuersignal erzeugt, wenn das festgestellte Drehzahlsignal (V _det kleiner ist als ein zweiter Schwellenwert, der niedriger liegt als der erste Schwellenwert,
h) eine Schaltereinrichtung (62, 64, 72; 62′, 64′, 72′) vorgesehen ist, die auf das erste und das zweite Schaltsteuersignal des Spannungspegel-Detektors (34) anspricht und die die erste Stromquelle abhängig von dem ersten Schaltsteuersignal auswählt und die zweite Stromquelle abhängig von dem zweiten Schaltsteuersignal auswählt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungspegel-Detektor eine Schmitt- Trigger-Schaltung (34) aufweist, welche den ersten und den zweiten Schwellenwert vorgibt, sowie einen Eingangsanschluß aufweist, der mit dem Motordrehzahlfühler (18, 20) verbunden ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Motordrehzahlfühler (18, 20) einen dem Servomotor (10) zugeordneten Kodierer (18), der ein der Motordrehzahl entsprechendes Signal erzeugt und einen Frequenz-Spannungs-Umsetzer (20) aufweist, welcher zwischen den Kodierer (18) und die Schalteinrichtung (62, 64, 72; 62′, 64′, 72′) geschaltet ist und der das Signal von dem Kodierer (18) in das Drehzahlsignal (V _det) umsetzt.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Schaltsteuersignal der Schmitt- Trigger-Schaltung (34) einen niedrigen Spannungspegel erzeugt, wenn das gefühlte Drehzahlsignal (V _det) auf den ersten Schwellenwertpegel angestiegen ist und das zweite Schaltsteuersignal einen hohen Spannungspegel hat, wenn das gefühlte Drehzahlsignal (V _det) auf den zweiten Schwellenwertpegel abgesunken ist, und daß die Schalteinrichtung (62, 64, 72) einen die Schaltsteuersignale invertierenden Inverter (62), ein erstes Halbleiter-Schaltelement (64), das leitende und nicht-leitende Zustände bei dem Vorhandensein des Signals mit den hohen bzw. niedrigen Spannungspegeln an dem Ausgangsanschluß des Inverters (62) hat, und ein zweites Halbleiter-Schaltelement (72) aufweist, das zwischen die erste Stromquelle und die Treibereinrichtung (26) geschaltet ist und dem Schaltsinn des ersten Halbleiter-Schaltelements (64) folgt.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Treibereinrichtung (26) ein Gegentaktverstärker ist, der eine Reihenschaltung aus zwei Treibertransistoren (76, 76′) aufweist, die zwischen die zweite Stromquelle (+V _L, -V _L) geschaltet ist, wobei zwei mit der ersten Stromquelle (+V _H, -V _H) verbundene Halbleiter- Schaltelemente (72, 72′) mit der Reihenschaltung verbunden sind.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Motortreibereinrichtung (26) einen Steuertransistor (84, 84′) aufweist, dessen Basis das Fehlersignal (V _e) empfängt und der die Reihenschaltung mit den Treibertransistoren (76, 76′) ansteuert.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Rückkopplungseinrichtung (30, 32), um von dem Fehlersignal (V _e) eine vom Motorstrom (I _m) abhängige Spannung zu subtrahieren.