DE3718079C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben und Steuern eines Schrittmotors und speziell auf ein Verfahren zum intermittierenden Antreiben, das es erlaubt, einen Schrittmotor mit hoher Geschwindigkeit auf jede gewünschte Position zu steuern und dort anzuhalten, ohne daß Überschwingungen auftreten.

Ein Beispiel eines Steuerungsverfahrens für einen Schrittmotor, das in der JP-OS 36 409/1977 beschrieben ist, nutzt das Hinausschießen des Schrittmotors aus, um diesen schnell anzuhalten, indem die Zuführung von Impulsen vorübergehend einen Schritt vor dem gewünschten Punkt, auf den der Motor zu steuern ist, angehalten wird, um das Überschwingen des Motors auszunutzen, und der Impuls des verbleibenden Schrittes wird erst zugeführt, wenn der Motor sich dem gewünschten Punkt dicht annähert. Diese positive Einlaufsteuerung des Motors bewegt die Motorwelle so wie in Fig. 3 gezeigt, so daß der Motor ohne Überschwingung angehalten werden kann.

Wenn jedoch, wie Fig. 2 zeigt, ein Gegenstand, der anzutreiben ist, mit dem Schrittmotor über ein Federsystem 4 verbunden ist, das aus einer Feder und einem Dämpfungsglied besteht, und von dem Schrittmotor angetrieben wird (beispielsweise ein Belichtungskopf, der unter Verwendung von Rollen und Zahnriemen bewegt werden soll), dann kann das soeben beschriebene Einlaufsteuerverfahren den getriebenen Gegenstand nicht ohne Überschwingung anhalten, was zu dem in Fig. 4 dargestellten Zustand führt. Man erkennt in Fig. 4 das Ausmaß der Bewegung des angetriebenen Gegenstandes, wenn der Schrittmotor mit einer Zeitgabe von 0, 1,2, 2,2 und 6,5 ms betrieben wird. Der angetriebene Gegenstand schwankt relativ zu einem gewünschten Punkt in einem Bereich von ± 3,5%, selbst nachdem 33 ms (1 Leerlauf) verstrichen sind.

Aus dem Aufsatz von W. Mäser "Einführung in die Probleme des Schrittmotorantriebes", in STZ Nr. 48, 1973, Seiten 969 bis 976, ist ein Verfahren zum Betreiben eines Schrittmotors mit stationären Feldpolen entsprechend vier Phasen bekannt, wobei die stationären Feldpole nacheinander für mehrere Schritte derart erregt werden, daß eine oder zwei Phasen gleichzeitig erregt werden. Zum Bremsen ist in dem genannten Aufsatz beschrieben, die dem m-ten Schritt entsprechende Erregung des Motors rechtzeitig vor dem Ende der Beschleunigungsphase zu unterbrechen, und während dieser Unterbrechung die dem (m-1)-ten Schritt entsprechende Erregung einzuschalten. Diese Methode ist praktikabel, wenn die Lastbedingungen konstant sind.

Aus der DE-33 35 315 A1 ist es bekannt, nach Abschluß der Erregung der stationären Feldpole eines Schrittmotors, wobei jeweils zwei Phasen gleichzeitig erregt werden, im (m-1)-ten Schritt drei Phasen zu erregen, wodurch der letzte Schritt jedoch ein Halbschritt ist, so daß die Haltestellung zwischen den Stabilitätspunkten des (m-1)-ten und des m-ten Schrittes liegt.

Die vorliegende Erfindung ist dazu geschaffen worden, die eingangs beschriebenen Probleme zu überwinden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben und Steuern eines Schrittmotors anzugeben, das in der Lage ist, ein angetriebenes Objekt, das sich mit hoher Geschwindigkeit bewegt, ohne Schwingungen stillzusetzen.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist Gegenstand des Unteranspruchs.

Wenn ein Schrittmotor mit stationären Feldpolen entsprechend N Phasen (wobei N eine ganze Zahl gleich oder größer als 4 ist) nacheinander über m Schritte derart angetrieben wird, daß eine Anzahl n, die von 1 bis (N - 2) reicht, von Phasen gleichzeitig betrieben werden, und anschließend der Motor am m-ten Schritt angehalten wird, dann werden gemäß der vorliegenden Erfindung die stationären Feldpole nacheinander n Phasen gleichzeitig bis zum (m - 1)-ten Schritt erregt, d.h. bis zur Stelle ein Schritt vor der Endstellung. Nach Abschluß der Erregung im (m - 1)-ten Schritt werden die stationären Feldpole in bezug auf eine Anzahl von Phasen größer als n bis zu einem gewünschten Wert zwischen den Stabilitätspunkten des (m - 1)-ten und des m-ten Schrittes erregt. Der Schrittmotor wird auf diese Weise so gesteuert, daß ein Wert kleiner als der des Stabilitätspunktes des letzten Schrittes angesteuert wird unmittelbar bevor der Motor in den letzten Schritt getrieben wird, so daß der Schrittmotor gebremst wird, während er gedämpft wird wegen der größeren Anzahl von Phasen, über die die stationären Feldpole erregt werden. Selbst wenn ein angetriebenes Objekt mit dem Schrittmotor über ein Federsystem verbunden ist, kann dieses ohne Schwingung angehalten werden.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Diagramm der Schrittfolge der Erregung der stationären Feldpole eines Schrittmotors gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Verbindung, über die ein Objekt von dem Schrittmotor über ein Federsystem angetrieben wird;

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Drehstellungen der Ausgangswelle des Schrittmotors, der mit einem bekannten positiven Einlaufverfahren gesteuert wird;

Fig. 4 eine graphische Darstellung des Ausmaßes der Bewegung, die ein in bekannter Weise angetriebenes Objekt ausführt;

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Antriebsvorrichtung für ein Belichtungsgerät, auf die die vorliegende Erfindung anwendbar ist;

Fig. 6 eine graphische Darstellung des Drehwinkels des Schrittmotors, der gemäß der vorliegenden Erfindung gesteuert wird, und

Fig. 7 eine graphische Darstellung des Bewegungsverlaufes des Belichtungskopfs, dessen Bewegung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gesteuert wird.

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun im Detail unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Bei dieser Ausführungsform wird die Erfindung zum Antrieb und der Steuerung eines Schrittmotors verwendet, der einen Belichtungskopf eines Belichtungsgerätes bewegt.

Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Belichtungsgerätes mit einer Antriebsvorrichtung, auf die die vorliegende Erfindung angewendet werden kann. Ein Belichtungskopf 12 ist derart angeordnet, daß eine Seitenfläche desselben, an der ein lichtabgebendes Element 14 angeordnet ist, der Zylinderfläche einer umlaufenden Trommel 10 gegenübersteht. Der Belichtungskopf 12 ist verschiebbar auf zwei Führungsschienen 16 montiert, die parallel zur Achse der umlaufenden Trommel 10 angeordnet sind. Eine Umlenkrolle 20 ist drehbar am einen Ende der beiden Führungsschienen 16 angeordnet und eine Antriebsrolle 22 ist drehbar am anderen Ende der beiden Führungsschienen 16 gelagert. Ein Draht 18 läuft um die beiden Rollen und ist an dem Belichtungskopf 12 an derjenigen Seite befestigt, die der Trommel 10 gegenübersteht. Eine große Rolle 24 ist auf der Welle befestigt, auf der die Antriebsrolle 22 befestigt ist, so daß sie sich mit dieser zusammen dreht. Eine kleine Rolle 28 ist auf der Ausgangswelle eines Schrittmotors 26 befestigt. Eine große Rolle 30 und eine kleine Rolle 32 sind konzentrisch auf einer gemeinsamen Welle zwischen der Antriebsrolle 22 und dem Schrittmotor 26 gelagert. Ein Zahnriemen 34 läuft um die kleine Rolle 28 und die große Rolle 30, und ein Zahnriemen 36 läuft um die kleine Rolle 32 und die große Rolle 24. Wenn sich die Ausgangswelle des Schrittmotors 26 und daher die kleine Rolle 28 drehen, dann wird die Antriebsrolle 22 über den Zahnriemen 34, die große Rolle 30, die kleine Rolle 32, den Zahnriemen 36 und die große Rolle 24 gedreht, und der Draht 18 wird dadurch in Längsrichtung der Schienen 16 bewegt, um somit den Belichtungskopf 12 längs der Schienen 16 zu bewegen. Die Rollen 22, 24, 30 und 32 sowie die Riemen 34 und 36 und der Draht 18 bilden ein Federsystem der eingangs beschriebenen Art. Bei dieser Anordnung ist es möglich, eine Hin- und Herbewegung des Belichtungskopfes 12 längs der Schienen 16 durch Ändern der Drehrichtung des Schrittmotors 26 hervorzurufen, so daß der Belichtungskopf 12 in einer zur Umlaufrichtung der Trommel 10 senkrechten oder Sekundär-Richtung bewegt werden kann. Um diese Sekundärbewegung auszuführen, wird der Schrittmotor 26 intermittierend oder kontinuierlich angetrieben.

Der oben beschriebene Schrittmotor 26 hat stationäre Vier-Phasen-Feldpole, und ein Treiber 38, der als Antriebseinrichtung dient, ist mit jedem der stationären Feldpole verbunden. Der Treiber 38 ist mit einer Steuerschaltung 40 verbunden, die von einem Mikrocomputer oder dergleichen gebildet wird. Die Steuerschaltung 40 gibt Impulssignale ein, erzeugt Signale zur Erregung der stationären Feldpole des Schrittmotors 26 und führt diese Signale dem Treiber 38 zu. Der Treiber 38 erregt dadurch die stationären Feldpole des Schrittmotors 26.

Ein Beispiel für das Antriebs- und Steuerungsverfahren nach der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläutert. Bei diesem Beispiel werden die stationären Feldpole eines vierphasigen unipolaren Schrittmotors mit jeweils zwei Phasen gleichzeitig erregt. Die stationären Feldpole der ersten und vierten Phasen werden zuerst erregt, um den Rotor des Schrittmotors zu stabilisieren, bevor der Schrittmotor um einen Schritt fortbewegt wird. In einem ersten Schritt werden die stationären Feldpole der ersten und zweiten Phasen erregt. In einem zweiten Schritt werden die stationären Feldpole der zweiten und dritten Phasen erregt. In einem dritten Schritt werden die stationären Feldpole der dritten und vierten Phasen erregt. Der Schrittmotor wird dadurch in drei Schritten bewegt. In einer Anfangsstufe des nachfolgenden vierten Schrittes wird die Erregung des stationären Feldpoles der dritten Phase, die im dritten Schritt ausgeführt worden ist, fortgeführt, während die stationären Feldpole für die ersten und vierten Phasen erregt werden. Hierdurch werden die stationären Feldpole nach Art einer dreiphasigen Erregung erregt. Nach Ablauf einer vorbestimmten Zeit wird der stationäre Feldpol der dritten Phase aberregt und die Erregung in bezug auf die ersten und vierten Phasen wird fortgesetzt. Der Antrieb wird dadurch auf die übliche zweiphasige Erregung rückgeführt.

Die stationären Feldpole des Schrittmotors werden auf diese Weise erregt, so daß die Anzahl der stationären Feldpole, die gleichzeitig einen Schritt vor dem letzten Schritt erregt werden (unmittelbar nach Abschluß der Erregung des dritten Schrittes) um eins größer als üblich ist, und der Schrittmotor wird auf einen Zielpunkt zwischen den Stabilitätspunkten der dritten und vierten Schritte hinbewegt. Die Änderungen im Drehwinkel der Ausgangswelle des Schrittmotors bei dieser Antriebsart sind in Fig. 6 aufgetragen. Die gestrichelte Linie in Fig. 6 zeigt die Drehwinkeländerungen der Schrittmotorwelle im letzten Schritt, wenn der Schrittmotor durch gleichzeitige Erregung der stationären Feldpole von jeweils zwei Phasen vom ersten zum vierten Schritt bewegt wird. Fig. 7 zeigt das Ausmaß der Bewegung des Belichtungskopfes, wenn der Schrittmotor auf die oben beschriebene Weise gesteuert wird. Nachdem 33 ms vergangen sind, schwingt der Belichtungskopf in einem Bereich von nur ±0,9% um den angesteuerten Haltepunkt, wie man aus Fig. 7 erkennt. Der Belichtungskopf kann daher mit keiner wahrnehmbaren Schwingung angehalten werden.

Die vorliegende Erfindung ist unter Bezugnahme auf das Beispiel eines vierphasigen unipolaren Schrittmotors erläutert worden, bei dem gleichzeitig die stationären Feldpole von zwei Phasen erregt werden, während drei Phasen unmittelbar vor dem Übergang in den letzten Schritt erregt werden. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt. Die Erregung des Schrittmotors in der von der Erfindung angegebenen prinzipiellen Weise kann auch ausgeführt werden, wenn die Anzahl der Erregungsphasen des Schrittmotors zwischen 1 und N - 2 liegt, wobei N die Anzahl der Phasen der stationären Feldpole ist und eine ganze Zahl größer oder gleich 4 ist. Im obigen Beispiel wird die Anzahl der Erregungsphasen um eins unmittelbar vor dem Zur-Ruhe-Kommen im letzten Schritt vergrößert. Die Erfindung ist hierauf nicht beschränkt. So kann die Anzahl, um die die Erregungsphasen vergrößert werden, in Übereinstimmung mit jedem gewünschten Wert bestimmt werden. Es ist vorteilhaft, im voraus eine ideale Kurve zu ermitteln, gemäß welcher der Schrittmotor betrieben werden sollte, und diese ideale Kurve dazu zu verwenden, die oben beschriebene vergrößerte Anzahl von Erregungsphasen für die stationären Feldpole und den gewünschten Wert zu bestimmen.

Claims (2)

1. Verfahren zum Betreiben und Steuern eines Schrittmotors mit stationären Feldpolen entsprechend N Phasen (N ist eine ganze Zahl größer oder gleich 4), wobei die genannten stationären Feldpole nacheinander für m Schritte (m ist eine ganze Zahl größer oder gleich 2) derart erregt werden, daß eine Anzahl von n Phasen gleichzeitig erregt werden, wobei n von 1 bis (N - 2) reicht, wobei nach Abschluß der Erregung der stationären Feldpole in einem (m -1)-ten Schritt eine Anzahl von Phasen stationärer Feldpole erregt wird, die größer als n bis zu einem gewünschten Wert ist, welcher Wert zwischen dem Stabilitätspunkt des (m - 1)-ten Schrittes und dem Stabilitätspunkt des m-ten Schrittes eingestellt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine ideale Kurve zum Betreiben des Schrittmotors zuvor ermittelt wird und der gewünschte Wert und die gewünschte Anzahl von Phasen derart bestimmt werden, daß der Schrittmotor entsprechend dieser idealen Kurve betrieben wird.