DE3528707A1

DE3528707A1 - Steuerschaltkreis zum antrieb eines schrittmotors

Info

Publication number: DE3528707A1
Application number: DE19853528707
Authority: DE
Inventors: Takashi Furumura; Takeo Tokio/Tokyo Ohba
Original assignee: Max Co Ltd; Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1984-08-11
Filing date: 1985-08-09
Publication date: 1986-02-20
Also published as: GB2165107B; DE3528707C2; US4642544A; GB8520010D0; GB2165107A; JPS6146198A

Description

HOFFMANN · EITLE"* PARTNER " "?

PATENT- UND RECHTSANWÄLTE O

PATENTANWÄLTE DIPL.-ING. W. EITLE · DR. RER. NAT. K. HOFFMANN . DIPL.-INQ. W. LEHN DIPL.-ING. K. FOCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN . DR. RER. NAT. H -A. BRAUNS · DIPL.-IN3. K. GDRO DIPL.-ΙΝΘ. K. KOHLMANN · RECHTSANWALT A. NETTE

1) Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha 42 501 Tokyo / Japan

2) Max Co., Ltd.
Tokyo / Japan

Steuerschaltkreis zum Antrieb eines Schrittmotors

Die Erfindung bezieht sich auf einen Steuerschaltkreis zum Antrieb eines Schrittmotors.

Schrittmotore (ebenfalls als schrittweise arbeitende oder Impulsmotore bezeichnet) umfassen im allgemeinen einen Rotor, der sich um einen vorbestimmten Bogenabschnitt bei einem Schrittimpuls dreht, und werden in großem Maße zur Bewegung von Teilen automatischer Maschinen, wie z. B. X-Y-Plotter, X-Y-Aufzeichner und Industrieroboter eingesetzt, da der Drehwinkel des Rotors entsprechend der Anzahl der eingegebenen Schrittimpulse steuerbar ist.

Es ist ein Steuerschaltkreis zum Antrieb eines derartigen Schrittmotors bekannt, um ihn in einer solchen Weise zu drehen, wobei Speicherelemente, wie z. B. programmierbare ROM (read only memories-Festwertspeicher) vorher

■6 ARABELLASTRASSE 4 . D-8OOO MÜNCHEN 81 · TELEFON (Ό89;) 911087 · TELEX 5-29619 CF¹ATHE) · TELEKOPIERER 918356

Phasenschaltdatenwerte speichern, Schrittimpulse unter Verwendung von Adressenzählern gezählt werden, um zu den in den Speicherelementen entsprechend den Ausgangs-Signalen der Zähler Zugriff zu nehmen, und den "EIN"- und "AUS"-Zustand des durch die unterschiedlichen Phasenspulen des Motors fließenden Stroms auf der Grundlage der ausgelesenen Phasenschaltdatenwerte zu steuern.

Der in den Speicherelementen gespeicherte Phasenschaltdaten-TO wert ist der Schrittschaltwert zum Drehen des Rotors des Motors um jeweils einen vorbestimmten Winkelschritt entsprechend dem Schrittimpuls, wobei der Datenwert den in Tabelle 1 gezeigten Inhalt hat.

Tabelle 1

Schritt:	A	Adresse:	A₀	Phasenschaltdatenwerte:	Phase A	Phase B	Phase A
	0	2 ^A1	0	Phase B	0	0	1
0	0	0	1	0	0	1	1
1	0	0	0	0	0	1	0
2	0	1	1	0	1	1	0
3	1	1	0	0	1	0	0
4	1	0	1	0	1	0	0
5	1	0	0	1	0	0	0
6	1	1	1	1	0	0	1
7	1	1

Tabelle 1 zeigt ein Beispiel der Phasenschaltdatenwerte, wobei ein Vier-Phasen-Schrittmotor mit den Phasen A, B, Ä", B mittels eines unipolaren Antriebsschaltkreises eins-zwei phasenerregt ist, um acht Schritte als eine wiederholte Periode einzustellen, wobei (1) und (0) dem EIN bzw. AUS entspricht. Da der Motor auf diese

Weise ohne Änderung des Schaltkreises durch andere Erregungsverfahren durch Neuschreiben der Datenwerte der Tabelle 1 angetrieben werden kann, sind derartige Phasensignalsteuerschaltkreise zur Erzeugung von Phasenschalt-Signalen unter Verwendung von Speicherelementen weit verbreitet.

In den Schritten O, 2, 4, 6 von Tabelle 1 kann ein Erregerstrom durch die Spule von nur einer der Phasen A, B, A, B (Ein-Phasen-Erregung) fließen und andererseits wird bewirkt, daß der Erregerstrom durch die Spulen der Phasen A, B in den anderen Schritten (z. B. in Schritt 1) gleichzeitig fließt (Zwei-Phasen-Erregung). Entsprechend ist das erzeugte Motordrehmoment bei der Ein-Phasen-Erregung und das Ungleichgewicht zwischen ihnen die Quelle von Vibration, Geräusch und einem Winkelfehler, wenn eine Belastung aufgebracht wird. Weiter ist die maximale Anzahl der mit einer Vier-Phasen-Spule in einem unipolaren Antriebsverfahren erhaltbaren Schritte 8, welches der Fall bei einem Antrieb mit 1-2-Phasen-Erregung ist. Obwohl in diesem Fall ein Schritt gleich 1/2 eines Bezugsschritts (der sog. ganze Schritt) in Anbetracht des Standards des Schrittmotors ist, muß er in kleinen Schritten mit hoher Auflösung angetrieben werden. Wenn die Motorgeschwindigkeit und die Motorlast unterschiedlich sind, ist es ebenfalls wünschenswert, daß das Drehmoment entsprechend der Geschwindigkeit und der Belastung ausgewählt wird.

Es wurden bisher Versuche unternommen, um den Ausgleich des Drehmoments zu stabilisieren, den Motor in kleineren als den ganzen Schritten von 1/2 zu drehen, und um das Drehmoment in Abhängigkeit von der Motorgeschwindigkeit und der Motorlast zu steuern, indem man einen Analog-

schaltkreis, wie ζ. Β. einen Stromsteuerschaltkreis, dem Digitalschaltkreis hinzufügt. Dabei besteht jedoch der Nachteil darin, daß durch das Hinzufügen eines derartigen Analogschaltkreises die Schaltkreisanordnung nicht nur umfangreicher und teurer wird, sondern ebenfalls Schwierigkeiten bei einer Auslegungsänderung mit sich bringt.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Steuerschaltkreis für den Antrieb eines Schrittmotors zu schaffen, mit dem der Antrieb des Schrittmotors mit weniger Geräusch und Vibration, mit einem äußerst genauen, kleinen Schrittwinkel durchgeführt werden kann, wobei eine einfache Schaltkreisanordnung ohne Verwendung eines analogen Stromsteuerschaltkreises möglich ist, und das Motordrehmoment proportional zur Motorgeschwindigkeit und Belastung gesteuert wird.

Diese Aufgabe wird mit einem Steuerschaltkreis zum Antrieb eines Schrittmotors gemäß der Erfindung gelöst, bei dem Schaltelemente das EIN/AUS jedes Phasenstroms des Schrittmotors steuern, und Speicherelemente Datenwerte zur Steuerung jedes Phasenschaltelements speichern. Jeder Phasenstromwert wird durch den Zugriff zu den Speicherelementen entsprechend dem Ausgangssignal eines ersten Adressenzählers zum Zählen der Schrittimpulse und des eines zweiten Adressenzählers zum Zählen der Taktimpulse, die eine höhere Geschwindigkeit als die Schrittimpulse aufweisen, gesteuert. Der von den Speicherelementen erzeugte Schaltdatenwert wird dem Ausgangssignal des ersten Adressenzählers entsprechend bestimmt und das EIN/AUS des Phasenschaltdatenwerts wird entsprechend dem Ausgangssignal des zweiten Adressenzählers gesteuert. Entsprechend wird jeder Phasenstromwert durch Steuern des EIN/AUS-Verhältnisses

jedes Phasenschaltelements in der sogenannten Impulsschalthäufigkeit mit einem einfachen Schaltkreis steuerbar, wodurch es möglich ist, einen Kleinschrittantrieb, einen Betrieb mit geringerem Geräusch und geringerer Vibration und eine Steuerung des Drehmoments proportional zur Belastung und dem Hochgeschwindigkeitsantrieb zu schaffen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform;

Fig. 2 ein Wellenformdiagramm zur Darstellung der Phasenstromsteuerung;

Fig. 3 ein Zeitablaufdiagramm zur Darstellung des Betriebs des Schaltkreises von Fig. 1;

Fig. 4A Diagramme zur Darstellung der Drehmomenten-

und 4B vektoren dieser Ausführungsform und eines bekannten Motors;

Fig. 5 ein Blockdiagramm zur Darstellung einer anderen Ausführungsform;

Fig. 6 ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform und

Fig. 7 ein Diagramm zur Darstellung eines Drehmomentenvektors der Ausführungsform von Fig. 6.

In den Zeichnungen ist ein Schaltkreis zum Antrieb eines Vier-Phasen-Schrittmotors im einzelnen dargestellt, der

einen unipolaren Impuls bei dem 1-2-Erregungsverfahren verwendet. In Fig. 1 ist der Motor 1 mit Spulen 2A, 2A, 2B, 2B in den Phasen A, A, B, B versehen. Diese Spulen sind mit Schaltelementen 3A, 3A, 3B, 3B, wie z. B. Transistoren oder FETs zur Steuerung des EIN-AUS der Phasenströme IPA, IPA bzw. IPB, IPB versehen. Jedes der Schaltsteuersignale SPA, SPA, SPB, SPB, das aus den Speicherlementen 4 ausgelesen wird, wird, je nach Bedarf, den Steueranschlüs-(Basisanschluß oder Toranschluß) jedes der Schaltelemente 3A, TÄ, 3B, IiB über einen Pufferverstärker (nicht dargestellt) zugeführt.

Als Speicherelement 4 wird beispielsweise ein programmierbarer ROM, wie z. B. der EPROM 2764 von Intel o. ä. mit mindestens sechs Adressenbits und vier Datenbits verwendet, und die internen Datenwerte werden in Tabelle 2 dargestellt.

Tabelle 2

SCHRITT	O	PHASEN-	O	O	RICHTIGE	^Ao	JEDER PHASENSTEUERDATENWERT	B	Phase A	B
		SCHALT		O	STEUER	O	Phase A
		ADRESSE		O	ADRESSE	1		D1	D2	D3
		^A4			^A1	O	DO
	O		1	O	O			0	0	0
				1	O	1	1
				1	1	1
O		O		O O		1
					1	O 1		0	0	0
	O		O	O	1		0
				1	1	O		1	0	0
1		O		1	O O	1	1
				O		1
				O	1	O		0	0	0
	O		1	O	1	1	0
				O	1	O
2		1		1	O	1		1	0	0
				1	O	1	0
				O	1	1
	1		O	O	1	O		0	0	0
				O	1	1	0
3		1		1	1	O		1	1	0
	1		1	1	O	1	0
				O	υ	.1
				O	1	O		0	0	0
				O	1	1	0
4		O		O	1	O
	1		O	1	O	1		0	1	0
				1	O	1	0
		O		O O	1	1
				O	1	O 1		0	0	0
	1		1	1	1	O	0
				1	1	1		0	1	1
				O	O O	1	0
6		1		O	1	O		0	0	0
				O	1	1	0
			O	1	O
			1	O	1		0	0	1
•η	1		1	O	1	0
			O	1	1
		O	1	O		0	0	0
		O	1	1	0
		1	1	O		0	0	1
		1	O	1	1
			υ	1
		1	^; i		0	0	0
		1	0
	1

In Tabelle 2 wird jeder Steuerdatenwert D - D von vier Bits für die EIN/AUS-Steuerung jedes Phasenschaltelements ausgelegt, wobei der Datenwert D dem Schaltelement 3A, der Datenwert D₁ dem Schaltelement 3B, der Datenwert D„ dem Schaltelement 3Ä" und der Datenwert D dem Schaltelement "3B entspricht. Weiter bedeutet eine (1) jedes Phasensteuerwerts, daß das entsprechende Element eingeschaltet ist, wohingegen es bei (O) ausgeschaltet ist. Auf die sechs Bit Adressen A_ - A₁. sind die drei oberen Bit Adressen als Phasenschaltadressen vorgesehen, wohingegen die unteren drei
sind.

drei Bit Adressen A_n - A₀ als Stromsteueradressen vorgesehen

Der erste Adressenzähler 5 der Fig. 1 ist ein drei Bit Binärzähler, der arbeitet, um die Phasenschaltadressen A-. - A_ der Speicherelemente entsprechend den drei Bit Ausgangssignalen, die man durch Zählen der Schrittimpulse SPCK von den Eingangsanschlüssen 6 erhält, zu spezifizieren. Der zweite Adressenzähler 7 ist weiter ebenfalls ein drei Bit Binärzähler, der einen Hochgeschwindigkeitstaktimpuls SPCK zählt und die Adressen A - A zum Steuern des Stroms des Speichers 4 entsprechend dem drei Bit Ausgangssignal spezifiziert. Adressenzähler mit der Serial No. 74LS393 von Texas Instruments oder MC1451oB oder MC140243 von Motorola als auch der MCII40698 von Motorola können in geeigneter Weise verwendet werden.

Jeder Phasenspule 2A - 2B des Schrittmotors 1 wird der Antriebsstrom von einer Gleichstromquelle 10 zu einem Motor zugeführt. Wenn jedes Phasenschaltelement 3A - 3b eingschaltet ist, wird bewirkt, daß der Strom durch die entsprechende Spule fließt.

Wie oben ausgeführt, wird jeder Drehschritt des Schrittmotors durch das Strommuster jeder Spule entsprechend

den Phasenschaltdatenwerten von Tabelle 1 bestimmt, wohingegen in Tabelle 2 der durch den oberen drei Bit Phasenschaltdatenwert spezifizierte Phasenschaltdatenwert entsprechend den unteren drei Bit Stromsteueradressen A A₂ EIN/AUS steuerbar ist. D. h. mit anderen Worten, die gesamte mittels der drei Bit Phasenschaltadressen A_ - A₁-

3 ob

spezifizierte Anzahl der Schritte ist 2 =8, und da mittels der drei Bit Stromsteueradressen A - A^ für acht Schritte acht Wortdatenwerte spezifiziert sind, wird der Phasenschaltdatenwert zu einigen Worten der acht Worte und der AUS-Datenwert, dessen Gesamt-Bit (0) ist, sollte den verbleibenden Worten zugeschrieben werden. Z. B. wird im Schritt 0, wenn die Phasenschaltadresse (000) ist, der Phasenschaltdatenwert spezifiziert, um nur die A-Phasenspule 2A durch Einschalten nur des Phasen A Schaltelements 3A zu erregen und anzutreiben. Der obige Phasenschaltdatenwert, der jedoch ein vier Bit Datenwert ist, dessen D nur (1) ist und die anderen D - D- (0) sind, wird zu drei Worten geschrieben, wobei die Strom-Steueradresse im Schritt (o) sich von (000) bis (010) bewegt, wohingegen der AUS-Datenwert, dessen Gesamt-Bit (0) ist, zu fünf Worten beschrieben wird, wobei sich die Stromsteueradresse von (011) bis (111) bewegt.

Im folgenden soll die Arbeitsweise des so aufgebauten Steuerschaltkreises zum Antrieb des Schrittmotors beschrieben werden.

Der Schrittimpuls SPCK soll den Schrittmotor 1 Schritt um Schritt antreiben, wobei die Umdrehungsgeschwindigkeit des Motors 1 entsprechend der Frequenz f des Impulses SPCK bestimmt wird. Wenn die Umdrehungsgeschwindigkeit des Motors veränderbar eingestellt wird, ist somit die Frequenz f ebenfalls veränderbar und die obere Grenze

^ sp

der Frequenz f wird etwa bei 2 kHz bis 10 kHz einge- ^ sp

stellt. Im Gegensatz dazu wird die Frequenz f , des Hochgeschwindigkeitstaktimpulses PCK von dem Schwingkreis 8 ausreichend höher als die Frequenz f eingestellt, beispiels-

sp

weise auf 100 kHz bis 200 kHz oder mehr- Die Stromsteueradresse wird in Abhängigkeit von dem Taktimpuls PCK zyklisch abgetastet und der Datenwert der acht Worte wird wiederholt für den Zugriff in einer Periode von acht Takten geliefert. Entsprechend wird in Schritt 0, dessen Phasenschaltadresse (000) ist, beispielsweise das Schaltsteuersignal SPA von Fig. 2 von dem Datenanschluß D des Speicherelements 4 erzeugt. In Fig. 2 wird die Periode des Hochgeschwindigkeitstaktimpulses PCK als TCK (= 1/f . ) angenommen, wobei, wenn das quadratische Impulssignal SPA mit 8TCK, das durch das Schaltsteuersignal SPA als eine Periode genommen wird und dessen Schalthäufigkeit (EIN(AUS-Verhältnis) 3/8 ist, dem Schaltelement 3A zugeführt wird, der Strom IPA von Fig. 2 beispielsweise durch die Phase A Spule 2A des Motors 1 fließt. Obwohl der A-Phasenstrom IPA von Fig. 2 eine kleine Welligkeit enthält, kann der Strom in einen etwa konstanten Wert umgewandelt werden, indem mach 8TCK als die Periode des Schaltsteuerimpulses ausreichend kleiner einstellt, als die mittels der Induktanz und des Widerstandes jeder Phasenspule des Motors bestimmte Zeitkonstante. Der Phasenstrom wird zu diesem Zeitpunkt entsprechend der Schalthäufigkeit des Schaltsteuerimpulssignals bestimmt.

Entsprechend wird von acht Worten, die der Stromsteueradresse in irgendeinem Schritt entsprechender Phasenstromwert entsprechend der Anzahl der dem Phasenschaltdatenwert zugeschriebenen Worte bestimmt,und der Phasenstromwert kann in acht Stufen durch Ändern der Anzahl der dem Phasenschaltdatenwert zugeschriebenen Worte von 1 bis 8 gesteuert

werden.Als zweiter Adressenzähler in Fig. 1 wird im allgemeinen ein N-fortschreitender Zähler verwendet, so daß es möglich ist, den Phasenstromzustand in N-Stufen zu steuern, indem man die Anzahl der Worte pro Stufe bei N einstellt.

Fig. 3 ist ein Zeitdiagramm zur Darstellung der Arbeitsweise des Schaltkreises von Fig. 1 im gesamten. In Fig. 3 werden die Phasenschaltadresse A_ - A₁. von dem ersten Adressenzähler 5 entsprechend dem Schrittimpuls SPCK aufeinanderfolgend wiederholt, und die Schritte von O (S.O in der Zeichnung) bis 7 (S 7) werden wiederholt durchgeführt. Nimmt man an, daß eine Schrittschaltperiode (Phasenschaltperiode) TSP (1/f ) ist, so ist die sich wiederholende Periode vom Schritt SO bis zu S 7 8TSP. Während irgendein Schritt bestimmt wird (während TSP), werden die acht den Stromsteueradressen A - A entsprechenden Worte wiederholt, mehrere Male abgegriffen^und die Schaltsteuerimpulssignale SPA - SPB der Schalthäufigkeit entsprechend der Anzahl der den Phasenschaltdaten zugeschriebenen Worte werden wiederholt ausgegeben. Obwohl in Fig. 3 ein Beispiel dargestellt ist, bei dem die acht Worte während der einen Schrittperiode TSP dreimal wandernd abgegriffen werden, kann die Anzahl der Wiederholungen unbegrenzt sein^und eine ganzzahlige Anzahl ist nicht erforderlich, wenn der Betrieb etwa mehrere Male wiederholt wird.

Unter Bezugnahme auf jedes Phasenschaltsteuersignal SPA - SPB von Fig. 3 liegt der Schalthäufigkeitsimpuls entsprechend jedes Phasensteuerdatenwerts, wie oben erwähnt, an, und es wird z. B. eine Impulsbreitenschalthäufigkeit 3/8 (= 37,5%) nur für das Signal SPA im Falle des Schrittes

S.O verfügbar, und ein anderes mit der Schalthäufigkeit 2/8 (= 25%) ist bei den Signalen SPA und SPB im Falle des Schrittes S 1 verfügbar. Infolge der Signale SPA - SPB werden die entsprechenden Schaltelemente 3A - 3B entsprechend EIN/AUS gesteuert, wodurch der durch die Phasenspule 2A - 2B fließende Strom in den Termen von IPA - IPB von Fig. 3 gesteuert wird. Nimmt man an, daß der Phasenstromwert "a" ist, wenn die Schalthäufigkeit jedes Phasenschaltsteuerimpulssignals 3/8 ist und der Phasenstromwert "b" ist, wenn die Schalthäufigkeit des Impulssignals 2/8 ist, so beträgt a : b etwa 3:2.

D. h., daß das von jeder Phasenspule gehaltene Drehmoment, wenn die Phasen A Spule 2A und die Phasen B Spule 2B im Schritt S.1 gleichzeitig erregt werden, das etwa 2/3 (=0,67)-fache wie das bei der Einphasenerregung erhaltene Drehmoment ist. Beispielsweise wird nur die Phasen A Spule 2A in dem Schritt S,O erregt.

Entsprechend, wie aus Fig. 4A ersichtlich, ist der absolute Wert des Drehmoments TRl des Schritts ST n/0,672 + O,57²'= 0,95

und somit etwa gleich 0,95 mal so hoch wie das zur Zeit der Einphasenerregung. Somit wird das Drehmoment bei jedem Schritt im wesentlichen konstant gehalten. Andererseits wird der absolute Wert des Drehmoments zum Zeitpunkt der Zweiphasenerregung in dem gewöhnlichen 1-2-Phasenerregungsantrieb, wie aus dem Drehmoment TRV im Schritt S 1 von Fig. 4B ersichtlich

y/i² und 1² = 1,4

was etwa 1,4-fach so groß wie das Drehmoment zum Zeitpunkt der Einphasenerregung ist, wodurch eine große Drehmomentsveränderung pro Schritt möglich ist, und da die Unausgeglichenheit eine Quelle für Vibration und Geräusch ist,

wird oft ein Winkelfehler bewirkt, wenn eine Belastung aufgebracht wird.

Entsprechend der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Auftreten von Vibration und Geräusch und ein Winkelfehler beim Aufbringen einer Last sehr klein gehalten werden, da der Drehmomentenausgleich in jedem Schritt etwa konstant gehalten wird. Weiter wird jedes Phasenschaltelement während eines Schritts durch einen Impuls angetrieben, und die Schalthäufigkeit des Impulses wird so gesteuert, daß jeder Phasenstromwert in der ersten Ausführungsform gesteuert wird, d. h. es wird ein sogenannter PWM-(Impulsbreitenmodulation - Pulse Width Modulation) Unterbrecherantrieb durchgeführt. Um dies jedoch mittels eines Analogschaltkreises durchzuführen, ist mindestens ein Schaltkreis zur Erzeugung einer Dreiecksbezugswelle (oder Sägezahnwelle), ein Gleichstromniveau erzeugender Schaltkreis und ein Niveauvergleicher erforderlich, wodurch die Anzahl der Teile gesteigert und der Aufbau des Schaltkreises kompliziert wird. Weiter sind Steuereinrichtungen, wie z. B. teure veränderbare Widerstände erforderlich. Im Gegensatz dazu wird der PWM-Unterbrecherantrieb mit einem äußerst einfachen Schaltkreis realisiert, der Speicherelemente 4 verwendet, in denen die in Tabelle 1 gezeigten Datenwerte vorher gespeichert werden. Durch Verwendung des Unterbrecherantriebs ist ein Hochgeschwindigkeitsantrieb möglich, und, da der Strom einer geringeren Schwankung infolge der Impulsrate unterworfen wird, wird ein größerer Wirkungsgrad wirksam erreicht.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bei der Speicherelemente 14 verwendet werden, die eine Speicherkapazität haben, die doppelt so groß wie die der Speicherelemente der ersten Ausführungsform ist,

und wobei eine Adresse A6 verwendet wird, um eine gesamte sie ben Bit Adresse zu schaffen. Das Speicher element umfaßt eine ersten Block, in dem sich auf sechzig Worte belaufende Datenwerte (siehe Tabelle 2) gespeichert sind, und einen zweiten Block, in dem zweimal soviel Worte wie acht Worte pro Schritt in Tabelle 2 für die Phasenschaltdaten angeordnet sind, wobei einer der zwei Blöcke entsprechend der Adresse A6 ausgewählt wird. Die Schalthäufigkeit jedes Phasenschaltsteuerimpulssignals, das durch Lesen jedes Phasensteuerdatenwerts des zweiten Blocks erhalten wird, ist 6/8 (= 75%) wenn nur eine Phase erregt ist, und 4/8 (= 50%) wenn zwei Phasen gleichzeitig erregt sind. Hierdurch wird jeder Phasenstrom in jedem Schritt verglichen mit der ersten Ausführungsform verdoppelt, und somit kann der absolute Wert ebenfalls verdoppelt werden, indem man den Drehmomentenausgleich konstant hält. Ein Drehmomentenschaltsteuersignal TS wird dem Adressenanschluß A_fi des Speicherelements von dem Eingangsanschluß 15 zugeführt und einer der zwei Blöcke wird entsprechend dem Signal TS ausgewählt, und der Motor wird entsprechend dem dem Block entsprechenden Drehmoment angetrieben. Die Beschreibung der anderen Teile des Aufbaus ist entbehrlich, da sie mit denen der ersten Ausführungsform identisch sind, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Teile wie in der ersten Ausführungsform bezeichnen.

Der Motor kann wirksam weiter verwendet werden, indem man mehrere Blöcke zum Speichern von Datenwerten vorsieht, um die Kapazität der Speicherelemente zu vergrößern und unterschiedliche Drehmomente zu erhalten. Fig. 6 zeigt ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In Fig. 6 ist ein Speicherelement 24 mit vier Bit Datenwerten D - D_ Ausgangssignalanschlüssen und mit mindestens zehn Bit Adressen A_n - A

Eingangsanschlüssen vorgesehen, das eine Kapazität von = 1024 Worten in Termen von vier Bits pro Wort aufweist. Jedes Phasenschaltsteuersignal SPA bis SPB wird entsprechend von den Datenwerten D - D Anschlüssen des Speicherelements 24 ausgegeben und z. B. zu jedem Steueranschluß der Schaltelement 3A - 3B von Fig. 1 zugeleitet. Der ersten Adressenzähler 25 von Fig. 6 ist ein reversibler binärer Zähler von vier Bits (hexadezimal) und der Schrittimpuls SPCX und das Rotationswinkelschaltsteuersignal CW/CCW werden dem Takteingangsanschluß bzw. dem hoch/niedrig-Schaltanschluß zugeführt. Der vier Bit Ausgang des Adressenzählers 25 wird jeder der Adressen

Ar - A₀ des Speicherelements 24 zugeführt, und diese _> ο

Adressen A_r - A₀ werden, wie in Tabelle 3 dargestellt, b ο

die die inneren Datenwerte des Speicherelements 24 zeigt, als Phasenschaltadressen verwendet. Der zweite Adressenzähler 27 ist ein binärer Zähler von fünf Bits (32) und der Hochgeschwindigkeitstaktimpuls PCX wird dem Takteingangsanschluß und der fünf Bit Ausgang des Zählers 27 wird jeder der Adressen A - A. des Speicherelements 24 zugeführt. Diese Adressen A - A. werden als Stromsteueradressen verwendet, wie in Fig. 3 dargestellt. Weiter wird das Drehmomentenschaltsteuersignal TS den Adressen Ag - A_g Anschlüssen des Speichers 24 zugeführt, wie in Fig. 6 dargestellt.

- 19 Tabelle 3

	PHASEN-	STROM	B	PHASEN-	B	A	AUS	STROM	12
	SCHALT-	STEUER	D3		D1	DO	WAHL	STEUER	31
	ADRESSE	ADRESSE	O	STEUERDATEN	O	1		ADRESSE	6
			O	WERT	O	O			11
	A₈-A₅	^A4 " *0	O	A	O	1		"4	31
		O - 23	O	D2	1	1		O -	8
	O	24 - 31	O	O	O	O		13 -	31
		0-12	O	O	1	1		O -	4
	1	13 - 21	O	O	O	O		7 -	11
		22 - 31	O	O	1	1		12 -	31
	2	0-16	O	O	1	O		O -	12
		17 - 31	O	O	O	O		9 -	31
		0-8	O	O	1	O		O -	6
	3	9-21	O	O	O	O		5 -	11
		22 - 31	O	O	1	O		12 -	31
	4	0-23	O	O	1	O		O -	8
		24 - 31	O	O	O	O		13 -	31
		0-12	O	O	1	O		O -	4
	5	13 - 21	O	O	O	O		7 -	11
		22 - 31	O	1	1	O		12 -	31
		0-16	O	O	O	O		O -	12
	6	17 - 31	O	1	O	O		9 -	31
		0-8	O	O	O	O		O -	6
	7	9-21	O	1	O	O		5 -	11
		22 - 31	O	1	O	O	1	12 -	31
	8	0-23	1	O	O	O		O -	8
		24 - 31	O	1	O	O		13 -	31
		0-12	1	O	O	O		O -	4
	9	13 - 21	O	1	O	O		7 -	11
		22 - 31	1	1	O	O		12 -	31
		0-16	1	O	O	O		O -	12
	10	17 - 31	O	1	O	O		9 -	31
		0-8	1	O	O	O		O -	6
	11	9-21	O	1	O	O		5 -	11
		22 - 31	1	O	O	O		12 -	31
	12	0-23	1	O	O	1		O -	8
		24 - 31	O	O	O	O		13 -	31
		0-12	1	O	O	1		O -	4
	13	13 - 21	O	O	O	O		7 -	11
		22 - 31	1	O	O	1		12 -	31
		0-16	O	O	O	1		O -
	14	17 - 31	O	O	O	O		9 -
		0-8		O				O -
	15	9 - 21	O			5 -
		22 - 31	O		12 -
			O
AUSWAHL























ο

Wie oben ausgeführt, werden bei der dritten Ausführungsform die Schritte von O bis 15, d. h. sechzehn Schritte ingesamt, aufeinanderfolgend durch die vier Bit Phasenschaltadressen A_c - A₀ bestimmt und die Phasens.teuerdatenwerte von 32 Worten werden wiederholt entsprechend den fünf Bit Stromsteueradressen A - A. für jeden Schritt abgetastet. Zu diesem Zeitpunkt ist jeder Phasenstromwert in 32 Stufen steuerbar und jedes Phasendrehmoment ist ebenfalls in 32 Stufen steuerbar. Entsprechend kann durch Einstellen des Drehmoments der Phase A und des der Phase B auf ein vorbestimmtes Verhältnis der gesamten Schritte von den Phasen A bis B in einen kleinen Schritt von etwa 1/4 unterteilt werden, und, unabhängig des Vier-Phasen-Schrittmotors im unipolaren Antriebsverfahren wird ein sechzehn Schritt Antrieb möglich.

Durch Beachtung des Verhältnisses des Phasenstroms A zum Phasenstrom B in Tabelle 3 (d. h. das Verhältnis des Phasen A Drehmoments zum Phasen B Drehmoments), da das in Phase erzeugte Drehmoment 90° gegen das andere Drehmoment versetzt ist, sind der berechnete Richtungswinkel θ des synthetischen Drehmoments des Phasen A Drehmoments und des Phasen B Drehmoments in Richtung des Phasen A Drehmoments als Bezugswert und der berechnete absolute TR-Wert des synthetischen Drehmoments in Tabelle 4 gezeigt.

Tabelle 4

Schritt:

A :

A₉ =

O

θ

0°

24

TR

A

:

B

0

A₉ = 1

TR

24

B

22.25°

23

ο

1

3 :

5

■ ο

13°

O

22

: O

45°

24

.77°

1

2 :

9

0°

13°

1

17

: 9

67.75°

23

.04°

9 :

12

22.62°

12.7°

2

9

: 17

90°

24

.77°

5 :

3

45°

13°

3

O

: 22

ο

0.

1

67.38°

13°

4

: 24

90°

Fig. 7 zeigt einen Drehmomentvektor jedes Schritts, d. h.

den Drehmomentvektor jedes Schritts S bis S , wenn A_Q = 0 zwischen der Phase A und B ist und den Drehmoment

, wenn A_g = 1 zwischen

vektor jedes Schritts S _ß - S
den Phasen A und B ist. Wie aus Fig. 7 ersichtlich, wird durch Teilen des vollen Schritts (z. B. von der Phase A zu B) in etwa vier, der absolute Wert des Drehmoments in zwei unterschiedliche Werte zu Steuerzwecke unterteilt, während der Drehmomentausgleich in jedem Schritt konstant gehalten wird.

Entsprechend der dritten Ausführungsform kann ein Schritt in mehrer unterteilt werden, die kleiner als 1/2 des vollen Schritts sind, was mit einem gewöhnlichen Steuerschaltkreis zum Antrieb eines Schrittmotors mit dem unipolaren 1-2-Phasenerregungsverfahren schwierig durchzuführen war. Dies wird durch Ändern der Datenwerte des Speicherelements ohne Hinzufügen eines neuen Schaltkreises und Steuern des absoluten Werts des Drehmoments erreicht, während der Drehmomentausgleich jedes Schritts konstant gehalten wird. Entsprechend werden Steuerschaltkreise von einfachem Aufbau

zum Antrieb von Schrittmotoren in kleinen Schritten, die ein hohes Auflösungsvermögen erfordern, mit geringerer Vibration und geringerem Geräusch auf billige Weise geschaffen. Bei einem Gerät, wie z. B. einem X-Y-Plotter ist der erfindungsgemäße Steuerschaltkreis äußerst wirksam, da zur Bewegung des Schreibkopfes ein genauer vibrations- und geräuschfreier Betrieb erforderlich ist.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Beispielsweise ist es möglich, die Anzahl der Datenwert-Bits des Speicherelements entsprechend der Anzahl der Phasen, die dem Schrittmotor zugeführt werden, zu bestimmen, und die Anzahl der Adressen-Bits kann sogar entsprechend der Anzahl der Schritte, der Schaltstufen des Phasenstroms oder der Art der absoluten Werte des Drehmoments eingestellt werden. Weiter können der erste und zweite Adressenzähler in Form von Software unter Verwendung eines Mikrocomputers aufgebaut werden. Weiter ist die Erfindung ebenfalls bei Schaltkreisen im bipolaren Antriebsverfahren anwendbar.

In dem Steuerschaltkreis gemäß der Erfindung ist es möglich, jeden Stromwert durch den zweiten Adressenzähler zu steuern, der die Kapazität des Speicherelements steigert und die Adresse spezifiziert, um den Strom ohne Verwendung eines Analogschaltkreises, wie z. B. einen Stromsteuerschaltkreis, zu steuern. Entsprechend stabilisiert der Steuerschaltkreis auf einfache Weise den Drehmomentenausgleich, bringt eine hohe Auflösung infolge der Steigerung der Anzahl der Schritte, steigert die Genauigkeit und steuert den absoluten Wert des Drehmoments, wobei der Motor in kleinen Schritten, mit weniger Geräusch und Vibration unter einer zufriedenstellenden Drehmomentsteuerung und bei einer hohen Geschwindigkeit in Abhängigkeit von der Belastung angetrieben werden kann.

Claims

PATENT- UND RECHTSANWÄLTE PATENTANWÄLTE DIPL.-ΙΝβ. W. EITLE . DR. RER. NAT. K. HOFFMANN · DIPL.-INQ. W. LEHN DIPL.-ING. K. FÜCHSLE . DR. RER. NAT. B. HANSEN · DR. RER. NAT. H-A. BRAUNS · DIPL.-ΙΝβ. K. GORG DIPL.-INQ. K. KOHLMANN · RECHTSANWALT A. NETTE

1) Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha 42 501 Tokyo / Japan

2) Max Co., Ltd.
Tokyo / Japan

Steuerschaltkreis zum Antrieb eines Schrittmotors

Patentansprüche

1. Steuerschaltkreis zum schrittantriebsimpulsabhängigen Antrieb eines Schrittmotors mit mindestes ersten und zweiten Phasenspulen, die jeweils Steuerelemente für eine entsprechende Phase umfassen, gekennz eichnet durch

- Speichermittel zum Speichern von phasenschaltenden Datenwerten zur Steuerung der Phasensteuerelemente und mit mehreren Ausgangsanschlüssen zum Verbinden mit den Phasensteuerelementen zur Zuführung von Phasenschaltsignalen zu den Phasensteuerelementen und mit ersten und zweiten Sätzen von Eingangsanschlüssen zur Aufnahme von Datenwertadressen;

- einen ersten Adressenzähler mit Ausgangsanschlüssen, die mit dem ersten Satz Anschlüssen zum aufeinanderfol-

ARABELLASTRASSE 4 . D-8OOO MÖNCHEN 81 ■ TELEFON mnt)-| 911087 · TELEXS-PQRIQf^-PATMP-I . TFI ckodeopp

genden Zuführen von Phasenschaltdatenwertadressen zu den Speichermitteln in Abhängigkeit von den Schrittantriebsimpulsen verbunden sind und mit einem Eingangsanschluss zur Aufnahme der Schrittantriebsimpulse; - einen zweiten Adressenzähler mit Ausgangsanschlüssen, die mit dem zweiten Satz Anschlüssen zum aufeinanderfolgenden Zuführen von Datenwertadressen zu den Speichermitteln verbunden sind, um das EIN/AUS der Phasenschaltdatenwerte zu steuern und mit einem Eingangsanschluß zur Aufnahme von Taktimpulsen,· und durch

- impulserzeugende Mittel, die mit dem Eingang des zweiten Zählers zur Zuführung von Taktimpulsen mit einer größeren Frequenz als der Schrittantriebsimpulse verbunden sind.

2. Steuerschaltkreis zum schrittantriebsimpulsabhängigen Antrieb eines Schrittmotors, gekennzeichnet durch die Kombination

- eines Schrittmotors mit mindestens ersten und zweiten Phasenspulen, die jeweils Steuerelemente für eine entsprechende Phase umfassen und

- eines Steuerschaltkreises zum Antrieb des Schrittmotors in Abhängigkeit von Schrittantriebsimpulsen, umfassend

1. Speichermittel zum Speichern von phasenschaltenden Datenwerten zur Steuerung der Phasensteuerelemente und mit mehreren Ausgangsanschlüssen zum Verbinden mit den Phasensteuerelementen zur Zuführung von Phasenschaltsignalen zu den Phasensteuerelementen und mit ersten und zweiten Sätzen von Eingangsanschlüssen von Datenwertadressen;

2. einen ersten Adressenzähler mit Ausgangsanschlüssen, die mit dem ersten Satz Anschlüssen zum aufeinanderfolgenden Zuführen von Phasenschaltdatenwertadressen zu den Speichermitteln in Abhängigkeit von den Schrittantriebsimpulsen verbunden sind, und mit einem Eingangsanschluß

zur Aufnahme der Schrittantriebsimpulse;

3. einen zweiten Adressenzähler mit Ausgangsanschlüssen, die mit dem ersten Satz Anschlüssen zum aufeinanderfolgenden Zuführen von Datenwertadressen zu den Speichermitteln verbunden s-ind, um das EIN/AUS der Phasenschaltdatenwerte zu steuern und mit einem Eingangsanschluß zur Aufnahme von Taktimpulsen; und

4. impulserzeugende Mittel, die mit dem Eingang des zweiten Zählers zur Zuführung von Taktimpulsen mit einer größeren Frequenz als die Frequenz der Schrittantriebsimpulse verbunden sind.