DE3614650A1 - Schrittmotorsteuerung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebene Schrittmotorsteuerung für die schrittweise Fortschaltung eines Schrittmotors. Derartige Schrittmotorsteuerungen werden beispielsweise zur schnellen, spurgenauen Positionierung von Aufnahme- oder Wiedergabeköpfen in Geräten zur Aufzeichnung oder Wiedergabe von Informationen auf oder von Floppy-Disks oder sogenannten Compactdisk-Scheiben (CD-Scheiben) verwendet.

Jeder Drehschrittstellung des Rotors eines Schrittmotors ist ein bestimmtes Magnetfeld des Stators zugeordnet, das durch eine bestimmte Anschaltung und Polung der Wicklungsstränge im Stator des Schrittmotors an eine Erregerstromquelle erzeugt wird. D.h., jeder Drehschrittstellung des Rotors des Schrittmotors ist eine bestimmte Anschaltordnung der Wicklungssträge des Stators zugeordnet. Zur Fortschaltung des Schrittmotors wird die Anordnung der Wicklungsstränge des Stators so umgeschaltet, daß der Rotor in die nächste Drehschrittstellung gezogen und in dieser Drehschrittstellung gehalten wird. Bei diesem Drehvorgang bildet der Rotor zusammen mit dem Reibmoment und der starr an den Rotor angekuppelten Schwungmasse und mit den Kraftlinien des Magnetfeldes ein Drehschwingsystem, in dem der Rotor beim Einfallen in die neue Drehschrittstellung eine verhältnismäßig schwach gedämpfte Drehschwingung um diese Drehschrittstellung ausführt. Die Amplitude dieser Drehschwingung reicht anfangs nahezu über einen vollen Schrittwinkel, so daß der Rotor anfangs nahezu eine Bewegung über den Bereich von zwei Drehschritten ausführt. Ein derartiges Drehschwingverhalten verlangt eine viel zu lange Wartezeit, um die neue Drehschritteinstellung zur Wirkung kommen zu lassen. Deshalb verwendet man bei einer Einzelschrittsteuerung durch einen Schrittmotor zwei aufeinanderfolgende Drehwinkelschritte für einen Arbeitsdrehschritt des Schrittmotors, wie aus der Zeitschrift "Elektronik 1974", Heft 6, Seiten 193 bis 199 bekannt ist. Für den Ablauf eines Arbeitsdrehschrittes wird der Rotor des Schrittmotors in die nächste Drehschrittstellung umgeschaltet und im Umkehrpunkt des Überschwingens in der zweiten Drehschrittstellung durch Bestromen der dieser zweiten Drehschrittstellung zugeordneten Motorstranganordnung festgehalten.

Bei einer Serienfertigung einer großen Anzahl derartige Schrittmotoranordnungen enthaltender Geräte muß jedoch mit verhältnismäßig hohen Unterschieden in der mit der Antriebswelle des Schrittmotors fest gekuppelten Schwungmassen gerechnet werden, so daß große Unterschiede in der Drehschwingfrequenz des Rotors beim Fortschalten in die nächste Arbeitsdrehschrittstellung auftreten. Das führt dazu, daß der Umkehrpunkt des ersten Überschwingers sehr unterschiedliche Zeiten vom Beginn des Arbeitsdrehschrittes entfernt liegt und daß dann bei einem festen Zeitpunkt für das Einschalten des Haltekraftfeldes dieser Zeitpunkt weit außerhalb des Umkehrpunktes des Überschwingers und damit auf eine steile Flanke bis in den Bereich der ersten Drehschrittstellung des Überschwingers fällt. In diesem Fall tritt dann ebenfalls ein Überschwingen um die zweite Drehschrittstellung mit einer Auslenkung bis in die erste und dritte Drehschrittstellung des Motors auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schrittmotorsteuerung der eingangs angegebenen Art derart auszubilden, daß auch bei großen Streuungen der an die Antriebswelle des Rotors des Schrittmotors angekuppelten Schwungmasse nur geringe Schwingungen um die zweite Drehschrittstellung des fortgeschalteten Arbeitsdrehschrittes entstehen. Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches angegebenen Maßnahmen gelöst.

Durch die Einfügung eines Beschleunigungsschrittes in den Ablauf eines Arbeitsdrehschrittes wird die Überschwingkurve im Umkehrpunkt des ersten Überschwingers in unerwarteter Weise derart verflacht, daß trotz der Verwendung eines festen Zeitpunktes für das Einschalten des Haltebetriebes ein großer Unterschied in der von der Schwungmasse am Rotor beeinflußten Frequenz des Überschwingers ohne wesentliche Überschwingamplitude um die zweite Drehschrittstellung verkraftet wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines vorteilhaften Ausführungsbeispieles näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 ein von einer Motorsteuerung gesteuerter Schrittmotor in einer schematischen Darstellung,

Fig. 2a ein Diagramm mit dem Verlauf eines Arbeitsdrehschrittes einer in Fig. 1 dargestellten Anordnung mit den zugehörigen Ansteuerungen der Motorstranganordnungen des Schrittmotors,

Fig. 2b ein der Fig. 2a entsprechendes Diagramm mit einer Ansteuerung des Schrittmotors nach dem Stand der Technik.

Die in Fig. 1 in einem Block dargestellte Anordnung zeigt in schematischer Darstellung einen Stator 1 und einen Rotor 2 eines Schrittmotors 3, der von einer Schrittmotorsteuerung 4 gesteuert wird. Die Schrittmotorsteuerung 4 besteht aus einer Steuerschaltung 5, einer von dieser gesteuerten Schalteranordnung 6 und einer Erregerstromquelle 7, die über Schalter 8, 9 oder 10 an eine den Drehschrittstellungen s 0, s 1 oder s 2 zugeordnete Motorstranganordnung MS 0, MS 1 oder MS 2 des Stators 1 des Schrittmotors angeschlossen ist und den Rotor 2 des Schrittmotors in dieser Drehschrittstellung festhält. Dazu enthält der Rotor 2 des Schrittmotors 3 beispielsweise eine Nase 11, über die die mit der erregten Motorstranganordnung MS 0 erzeugten Magnetkraftlinien verlaufen und den Rotor dadurch in dieser Drehschrittstellung s 0 festhalten. Mit der Bezeichnung Motorstranganordnung, die einer Drehschrittstellung zugeordnet ist, ist die Schaltungsanordnung von Wicklungssträngen des Stators 1 des Schrittmotors 3 bezeichnet, die über den zugehörigen Schalter 8, 9 oder 10 der Schalterordnung 6 an die Erregerstromquelle 7 angeschlossen ist und die den Rotor 2 von einer der beiden benachbarten Drehschrittstellungen in die der Motorstranganordnung zugeordnete Drehschrittstellung zieht und in dieser Drehschrittstellung festhält.

In den Diagrammen der Figuren 2a und 2b ist der Ablauf eines einzelnen Arbeitsdrehschrittes eines in Figur 1 angegebenen Schrittmotors 3 schematisch dargestellt. Sowohl im Fall der Fig. 2a als auch im Fall der Fig. 2b ist vor dem Ablauf des Arbeitsdrehschrittes a der Rotor 2 des Schrittmotors durch die Erregung der Motorstranganordnung MS 0 in der Drehschrittstellung s 0 festgehalten. Diese Erregung der Motorstranganordnung MS 0 ist in den Diagrammen der Figuren 2a und 2b durch einen Balken 12 und den geschlossenen Schalter 8 der Schalteranordnung 6 in Fig. 1 schematisch dargestellt. Zur Ausführung des Arbeitsdrehschrittes, der beispielsweise durch einen Impuls zum Zeitpunkt t₀ an einem Impulseingang 13 der Steuerschaltung 5 eingeleitet wird, steuert die Steuerschaltung 5 die Schalteranordnung derart, daß die Motorstranganordnung MS 0 von der Erregerstromquelle 7 getrennt und die der Drehschrittstellung s 1 zugeordnete Motorstranganordnung MS 1 über den Schalter 9 der Schalteranordnung 6 an die Erregerstromquelle 7 angeschlossen wird, was in Fig. 2b durch den Balken 16 schematisch dargestellt ist. Dadurch wird der Rotor 2 des Schrittmotors entsprechend einem in Fig. 2b durch die Kurve 14 dargestellten Drehbewegungsablauf um einen Drehschrittwinkel m 1 in die Drehschrittstellung s 1 gezogen und schwingt über diese Drehschrittstellung s 1 hinaus bis in die Drehschrittstellung s 2. Im Umkehrpunkt 15 des ersten Überschwingers des Drehbewegungsablaufes 14 des Rotors ist der zum Zeitpunkt t ₀ eingeleitete Arbeitsdrehschritt a des Rotors 2 nach einer Zeitspanne Ta beendet. Nach dieser Zeitspanne Ta schaltet die Steuerschaltung 5 die Schalteranordnung 6 der Schrittmotorsteuerung 4 so um, daß die der Drehschrittstellung s 1 zugeordnete Motorstranganordnung MS 1 von der Erregerstromquelle 7 abgeschaltet und die der Drehschrittstellung s 2 zugeordnete Motorstranganordnung MS 2 über den Schalter 10 an die Erregerstromquelle angeschlossen ist. Dadurch wird der Rotor 2 des Schrittmotors 3 im Moment des Stillstandes festgehalten, den er im Umkehrpunkt 15 seines Drehbewegungsablaufes vor dem Zurückschwingen einnimmt. Diese Halteerregung der Motorstranganordnung MS 2 ist in den Diagrammen der Figuren 2a und 2b durch einen Balken 17 schematisch gekennzeichnet.

Die Frenquenz der Überschwingungen des Rotors 2 um die Drehschrittstellung s 1 ist in starkem Maße abhängig von der Schwungmasse des Rotors und der Schwungmasse der an die Antriebsachse 18 des Rotors starr gekoppelten Einrichtung, die von dem Schrittmotor gesteuert wird. Ist diese Schwungmasse von Gerät zu Gerät größeren Unterschieden unterworfen, haben sie unterschiedliche Drehschwingfrequenzen zur Folge und es treten dadurch unterschiedliche Kurven des Drehbewegungsablaufes für den mit diesen Schwungmassen verbundenen Rotor 2 eines Schrittmotors 3 auf. Zwei derartige Drehbewegungsablaufkurven 19 und 20 sind gestrichelt oder punktiert am Diagramm der Fig. 2b schematisch dargestellt. Wird die Halteerregung 17 der der Drehschrittstellung s 2 zugeordneten Motorstranganordnung MS 2 nach der Zeitspanne Ta nach Beginn des Arbeitsdrehschnittes a eingeschaltet, setzt die Haltekraft der Motorstranganordnung MS 2 bei einem Drehbewegungsablauf nach der Kurve 20 schon auf der noch steil aufsteigenden Flanke des Drehbewegungsablaufes 20 oder erst auf der steil abfallenden Flanke des Drehbewegungsablaufes 19 des Rotors 2 an. Dadurch werden im Haltebereich relativ große Überschwingungen 19′ oder 20′ des Rotors um die zweite Drehschrittstellung s 2 hervorgerufen. Die in Fig. 2b dargestellte und aus dem Stand der Technik bekannte Arbeitsschrittfortschaltung eines Schrittmotors 3 ist somit verhältnismäßig empfindlich gegen Streuungen der an die Antriebsache 18 des Schrittmotors gekuppelten Schwungmasse.

Bei dem in Fig. 2a dargestellten Ablauf der impulsweisen Fortschaltung eines Schrittmotors um jeweils einen Arbeitsdrehschritt a, die im wesentlichen nach dem gleichen Steuerablauf der Umschaltung der Motorstranganordnungen MS 0, MS 1 und MS 2 wie bei dem in Fig. 2b dargestellten Steuerungsablauf geschieht, wird die Erregung der der ersten Drehschrittstellung s 1 zugeordneten Motorstranganordnung MS 1 während des Drehbewegungsablaufes 21 für eine Zeitspanne Tb unterbrochen und in dieser Zeitspanne Tb dafür die der zweiten Drehschrittstellung s 2 zugeordnete Motorstranganordnung MS 2 an die Erregerstromquelle 7 angeschlossen. Diese Zeitspanne Tb beginnt in dem mit Fangbereich ds 1 bezeichneten Bereich um die Drehschrittstellung s 1 des Rotors 2, in dem die magnetischen Anzugskräfte der den benachbarten Drehschrittstellungen zugeordneten Motorstranganordnungen MS 0 und MS 2 in bestromten Zustand hineinreichen. Die Zeitspanne Tb des dadurch erzeugten Beschleunigungsschrittes 22 ist so bemessen, daß die nach Ablauf der Einschaltzeitspanne Tb für den Beschleunigungsschritt 22 wieder eingeschaltete Motorstranganordnung MS 1 für die Drehschrittstellung s 1 mittels der dadurch erzeugten Rückstellkraft den Rotor 2 des Schrittmotors 3 in der zweiten Drehschrittstellung s 2 zum Stillstand bringt. Zum Zeitpunkt t 3 dieses Stillstandes, der vom Beginn des Arbeitsdrehschrittes a zum Zeitpunkt t 0 die Zeitspanne Ta entfernt ist, wird anstelle der Motorstranganordnung MS 1 für die erste Drehschrittstellung s 1 wieder die der zweiten Drehschrittstellung s 2 zugeordnete Motorstranganordnung MS  2 an die Erregerstromquelle 7 angeschlossen, um damit den Rotor in der zweiten Drehschrittstellung s 2, die mit der Arbeitsdrehschrittstellung des Rotors 2 des Schrittmotors übereinstimmt, zu halten. Durch den Beschleunigungsschritt 22 und den anschließenden Bremsvorgang wird der Verlauf des Drehbewegungsablaufes 21 im Bereich der zweiten Drehschrittstellung s 2 derart beeinflußt, daß sich der Drehwinkel des Rotors 2 eine verhältnismäßig lange Zeit in diesem Bereich aufhält. Dadurch wird es möglich, daß infolge unterschiedlicher mit der Antriebsachse 18 gekuppelter Schwungmassen verhältnismäßig weit vom mittleren Drehbewegungsablauf 21 abweichende Drehbewegungsabläufe 23 und 24 sich am Ende der Zeitspanne Ta für einen nach dem mittleren Drehbewegungsablauf 21 erfolgten Arbeitsschritt a immer noch nahezu in der zweiten Drehschrittstellung s 2 befinden. Dadurch treten auch bei größeren Abweichungen eines Drehbewegungsablaufes vom mittleren Drehbewegungsablauf 21 nur verhältnismäßig kleine Schwingungen 23′ oder 24′ um die zweite Drehschrittstellung s 2 beim Einschalten des Haltezustandes zum Zeitpunkt t 3 auf.

Claims (1)

1. Schrittmotorsteuerung für die schrittweise Fortschaltung eines Schrittmotors, dessen jeder an der Antriebswelle wirksamer Arbeitsschritt aus einem ersten von einer ersten Drehschrittstellung abgeschlossenen Rotordrehschritt und einem daran angrenzenden zweiten von einer zweiten Drehschrittstellung abgeschlossenen Rotordrehschritt besteht und dessen der ersten Drehschrittstellung zugeordnete Motorstranganordnung während des Arbeitsdrehschrittes an eine Erregerstromquelle angeschlossen ist und dessen der zweiten Drehschrittstellung zugeordnete Motorstranganordnung nach einer Zeitspanne, in der der Rotor in die zweite Drehschrittstellung des Arbeitsdrehschrittes gelangt ist, an eine Haltestromquelle angeschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß während einer in den zweiten Rotordrehschritt (m 2) reichenden Zeitspanne (Tb), bei einer Rotorstellung innerhalb des Fangbereiches (ds 1) der ersten Drehschrittstellung (s 1) eines Arbeitsdrehschrittes (a) beginnt, die der zweiten Drehschrittstellung (s 2) zugeordnete Motorstranganordnung (MS 2) an die Erregerstromquelle (7) angeschlossen wird und daß diese Zeitspanne (Tb) so bemessen ist, daß die Rückstellkraft der aus der Erregung der der ersten Drehschrittstellung zugeordneten Motorstranganordnung (MS 1) den Rotor (2) in der zweiten Drehschrittstellung (s 2) zum Stillstand bringt.