DE3727283A1 - Chopperschaltung fuer die ansteuerung von elektromagnet- und/oder schrittmotoren-spulen, insbesondere fuer einen matrixdrucker - Google Patents
Chopperschaltung fuer die ansteuerung von elektromagnet- und/oder schrittmotoren-spulen, insbesondere fuer einen matrixdruckerInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Chopperschaltung für die Ansteuerung von
Elektromagnet- und/oder Schrittmotoren-Spulen, insbesondere für einen
Matrixdrucker, deren Induktivität in Verbindung mit der angelegten
Spannung einen Maximalstrom erzeugt, der jedoch um einen gewünschten Faktor
niedriger eingestellt ist, wobei die Stromripples durch Choppen erzeugbar
sind.
Die Ansteuerung von Elektromagnetspulen in Matrixdruckköpfen erfolgt über
Treiberschaltungen, deren Aufgabe es ist, das Magnetfeld schnellstmöglich
aufzubauen und beim Abbauen physikalisch unvermeidbare Gegeninduktionen
schnellstmöglich ausschwingen zu lassen (DE-PS 31 39 502). Hierbei wird
mehr das Ziel verfolgt, eine erneute Bestromung der Elektromagnetspule
vornehmen zu können, um das Wiederabschließen ein und derselben Drucknadel
in kürzeren Zeitabständen zu bewirken, d. h., ein schnelleres Drucken zu
erreichen.
Andere Lösungen für Ansteuerungen von Elektromagnetspulen in Druckern
streben an, eine Überbestromung zu vermeiden (DE-OS 31 51 242), um die
schädliche Verlustwärme in den Spulen zu vermindern. Diese Herabsetzung der
Verlustwärme fördert die Lebensdauer derartiger Matrixdruckköpfe.
Allen bekannten Lösungen ist es demnach gemeinsam, die Bestromungszeiten so
kurz wie möglich zu halten (geringe Verlustwärme) und eine schnelle
Wiederbestromung (schnelles Abschließen einer Drucknadel) zu ermöglichen.
Es wurden nunmehr noch andere Gesichtspunkte dahingehend gefunden, daß
unterschiedliche Induktivitäten von Elektromagnetspulen und
Magnetspulenwicklungen in Schrittmotoren einerseits eine Anpassung der
Frequenzen erfordern, andererseits jedoch durch eine Chopperschaltung beide
Spulenarten in einem System aufgrund desselben Prinzips betrieben werden
könnten.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die beim Choppen erzeugten Stromripples
in Abhängigkeit von Frequenz, Induktivität und Widerstand einer
Elektromagnetspule bzw. einer Magnetspulenwicklung zu verändern, d. h.,
optimal einzustellen,.
Die gestellte Aufgabe wird bei der eingangs bezeichneten Chopperschaltung
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß einer Treiberschaltung für die
Elektromagnetspule bzw. einer Brückenschaltung für die Schrittmotoren-Spule
jeweils eine Strommeßerfassung mit Stromabschaltung zugeordnet ist und
daß eine digitale Steuerlogik vorgesehen ist, die im Takt eines
vorgeschalteten Frequenzgebers ein Steuersignal erzeugt, das im
Wechselspiel mit der Stromabschaltung als Ein- oder als Aus-Signal am
Eingang der Treiberschaltung bzw. der Brückenschaltung vorliegt. Aufgrund
der vorgegebenen Frequenz, die an die Induktivität und an den Widerstand
der Spule angepaßt wir, ist es möglich, das Ein- oder Aus-Signal am
Eingang der Treiberschaltung bzw. der Brückenschaltung zu erzeugen. Mit
anderen Worten ausgedrückt, ermöglicht eine solche digitale Steuerlogik
zusammen mit der Strommeßwerterfassung/Stromabschaltung den Wirkungsbereich
der Elektromagnet- bzw. Schrottmotoren-Spulen für unterschiedliche
Frequenzen.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die digitale Steuerlogik
aus einem RS-Flip-Flop (Reset-/Set) besteht, dessen einzige Ausgangsleitung
auf den Reset-Eingang zurückgekoppelt ist. Aufgrund dieser Lehre wird
erheblich an notwendigen Leitungen bzw. Anschlußpolen eingespart. Die
hierfür als Ein- und Ausgang verwendete Leitung hat bei der Verwendung
eines ASIC′s (Application Specific of Integrated Circuits) den Vorteil, daß
nur die Hälfte der sonst notwendigen Leitungen bzw. Anschlußpole benötigt
wird.
Weiter wird vorgeschlagen, daß die Strommeßwerterfassung aus einem
Komparator besteht, dessen Positiv-Eingang mit einer Referenzspannung
verbunden ist und dessen Negativ-Eingang mit einem Sensorwiderstand und daß
der Ausgang des Komparator mit der digitalen Steuerlogik und mit dem
Eingang der Treiberschaltung verknüpft ist. Eine solche Lösung gestattet
einen Mindestaufwand für die Strommeßwerterfassung und die
Stromabschaltung.
Eine andere Verbesserung der Erfindung sieht vor, daß die digitale
Steuerlogik Teil eines ASIC′s ist und daß die Treiberschaltung, die
Strommeßwerterfassung und die Stromabschaltung separat angeordnet sind.
Eine solche Ausgestaltung erlaubt, die digitale Steuerlogik zum Bestandteil
eines einzigen Chips zu machen.
Schließlich ist vorgesehen, daß die digitale Steuerlogik einerseits und die
Strommeßwerterfassung bzw. die Stromabschaltung sowie die Treiberschaltung
andererseits bidirektional miteinander verbunden sind.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und
werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 ein Zeitdiagramm für die in Betracht kommenden Spannungs- bzw.
Strom-Impulse,
Fig. 2 eine Chopperschaltung als Anwendungsbeispiel für die
Elektromagnetspule einer Drucknadel, eines Druckhammers u. dgl.
und
Fig. 3 ein Zeitdiagramm für Spannungs- bzw. Stromimpulse eines
Schrittmotors,
Fig. 4 eine Chopperschaltung für die Anwendung an einer
Schrittmotorenspule.
Die Impulskurve A (Fig. 1) löst auf der höheren Ebene eine logische "1" und
auf der unteren Ebene eine logische "0" aus. Die Dauer des Impulses ist mit
0 = 250 µsec als Beispiel für einen Matrixdruckkopf gewählt. Die
Frequenzimpulskurve F zeigt die derzeit eingestellte Frequenz über negative
Steuersignale 2 an. Der zugehörige Frequenzgeber 3 ist in Fig. 2
angedeutet. Der Frequenzgeber 3 erzeugt eine konstante Frequenz.
Die Spannungsimpulskurve B tritt an dem Ausgang 4 als Ein-Signal logisch
"1" oder als Aus-Signal, logisch "0" auf. Nach einem Einschwingvorgang 5
stellen sich gleichgroße Spannungsimpulse 6 ein. Dementsprechend zeigt die
Chopperkurve J entsprechend dem Spannungsverlauf gemäß Spannungsimpulskurve
B einen gechoppten Stromverlauf 7 mit Stromripples 7 a.
Die Chopperschaltung für eine Drucknadel-Elektromagnetpule 8 mit einer
Induktivität (Fig. 2) weist eine Treiberschaltung 9 mit einem
Treiber-Transistor Tr auf, ferner eine Strommeßwerterfassung 10 mit
Stromabschaltung 11 und schließlich eine digitale Steuerlogik 12. Der
Frequenzgeber 3 erzeugt das negative Steuersignal 2 in konstanten
Zeitabständen, die über den Frequenzgeber 3 einstellbar sind. An dem
Ausgang 4, der gleichzeitig einen Eingang 13 der Treiberschaltung 9 bildet,
liegt demnach jeweils ein Ein- oder Aus-Signal vor.
Die digitale Steuerlogik 12 besteht aus einem RS-Flip-Flop 14 (Reset/Set),
das mit einer einzigen Ausgangsleitung 15 versehen ist, die auf den Reset-
Eingang 16 zurückgekoppelt ist.
Die Strommeßwerterfassung 10 weist einen Komparator 17 auf, über dessen
Positiv-Eingang 18 eine Referenzspannung 19 zugeschaltet ist und dessen
Negativ-Eingang 20 mit einem Sensorwiderstand 21 (Rs) verbunden ist. Der
Ausgang 22 des Komparators 17 ist mit der digitalen Steuerlogik 12 und mit
dem Eingang 13 der Treiberschaltung 9 verknüpft. Die digitale Steuerlogik
12 ist Teil eines ASIC′s (= Application Specific for Integrated Circuits),
und die Treiberschaltung 9, die Strommeßwerterfassung 10 und die
Stromabschaltung 11 sind dagegen getrennt auf einer Leiterplatte eines
Matrixdruckers angeordnet. Die digitale Steuerlogik 12 einerseits und die
Strommeßwerterfassung 10 bzw. die Stromabschaltung 11 und die
Treiberschaltung 9 sind bidirektional miteinander verbunden.
Im Grundzustand der Chopperchaltung (Fig. 2) ist die Impulskurve (Signal)
A auf logisch "1" geschaltet. Die negativen Steuersignale 2 bewirken, daß
ein Gatterausgang I logisch "1" und der Gatterausgang II logisch"0" ist.
Das Signal am Eingang 13 der Treiberschaltung 9 (Spannungsimpulskurve B)
wird sonst ebenfalls zu logisch "0", so daß die folgende Treiberschaltung 9
inaktiv bleibt. Für den Fall, daß das Signal der Impulskurve A (von einer
Datenquelle oder einem Zeichengenerator gesteuert) auf logisch "0" gesetzt
wird, und auch der Ausgang (Q) eines Gatters II auf logisch "0" steht, wird
der Ausgang "Q" eines Gatters III auf logich "1" gesetzt, ebenfalls der
Ausgang Q eines Gatters VI, wenn dieser mit einem Pull-up-Widerstand 23
beschaltet ist und an einer höheren Spannung +U 1 liegt.
Der Ausgang 22 des Komparators 17 ist in einem solchen Fall hochohmig, weil
in diesem Moment in der Treiberschaltung 9 kein Strom fließt. Demzufolge
wird die Treiberschaltung 9 aktiviert. Der Strom steigt in der
Treiberschaltung 9 an und bewirkt an dem Sensorwiderstand 21 (RS) einen
Spannungsabfall, der nach Erreichen der Referenzspannung 19 den Ausgang 22
des Komparators 17 auf logisch "0" und den Ausgang 4 sowie den
Gattereingang V ebenfalls auf logisch "0" zieht. Die Treiberschaltung 9 ist
jetzt wieder inaktiv, wobei der Strom in der Elektromagnetspule 8 wieder
nach einer e-Funktion abnimmt. Gleichzeitig wird über die Gatter IV und V
das aus den Gattern I und II bestehende RS-Flip-Flop 14 wieder
zurückgesetzt, d. h., das Signal (Q) wird logisch "1" und schaltet den
Ausgang des Gatters VI auf logisch "0". Der jetzt in der Treiberschaltung 9
bzw. im Sensorwiderstand 21 unterbrochene Strom schaltet den
Komparatorausgang 22 wieder hochohmig, wobei aber der Ausgang des Gatters
VI den Signalpegel auf logisch "0" hält.
Dieser Sperrzustand der Treiberschaltung 9 bleibt solange aufrechterhalten,
bis ein Signal der Frequenzimpulskurve F durch einen kurzen (ca. 500 nsec)
Setzimpuls für das RS-Flip-Flop 14 auftritt.. Das RS-Flip-Flop-
Ausgangssignal (Q) ist dann wieder logich "0" und folglich der Ausgang des
Gatters III logisch "1". Damit ist die Treiberschaltung 9 wieder aktiviert.
Dieses Wechselspiel hält solange an, bis der Impuls der Impulskurve A
wieder logisch "1" wird und über ein Signal der Spannungsimpulskurve B mit
dem logischen Pegel "0" die Treiberschaltung 9 inaktiv setzt.
Die Chopperschaltung für eine Schrittmotor-Magnetspule 26 (Fig. 4) arbeitet
wie vorstehend beschrieben. Die in Fig. 1 verwendeten Bezugsziffern und die
zugehörige Beschreibung gilt auch für Fig. 3.
In Fig. 4 ist die Chopperschaltung für einen Schrittmotor dargestellt.
Gleiche Bezugsziffern wie in Fig. 2 gelten auch für Fig. 4 sowie die zu
Fig. 2 gehörenden Beschreibungsteile. Die digitale Steuerlogik 12 ist für
die Ansteuerung eines Schrittmotors für jede Schrittmotor-Magnetspule 26
doppelt vorhanden. Dementsprechend liegen Impulskurven A 1 und A 2 vor.
Demzufolge liegen auch zwei Spannungsimpulskurven B 1 und B 2 vor. Jede
Schrittmotor-Magnetspule 26 bildet eine Brückenschaltung 27. Ein in Fig. 3
berücksichtigter Brückenzweig wird durch die Transistoren 24 und 29 bzw. 25
und 28 gebildet. An die Schrittmotor-Magnetspulen 26 sind jeweils
Freilauf-Dioden-Paare 30 angeschlossen. Zwischen den Ausgangsleitungen 15
und den Transistoren 24, 29 bzw. 25 und 28 sind jeweils invertierende
Verstärker 31 und 32 bzw. nicht invertierende Verstärker 33 und 34
geschaltet.
Claims (5)
1. Chopperschaltung für die Ansteuerung von Elektromagnet- und/oder
Schrittmotoren-Spulen, insbesondere für einen Matrixdrucker, deren
Induktivität in Verbindung mit der angelegten Spannung einen
Maximalstrom erzeugt, der jedoch um einen gewünschten Faktor niedriger
eingestellt ist, wobei die Stromripples durch Choppen erzeugbar sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß einer Treiberschaltung (9) für die Elektromagnetspule (8) bzw.
einer Brückenschaltung (27) für die Schrittmotoren-Spule (26) jeweils
eine Strommeßwerterfassung (10) mit Stromabschaltung (11) zugeordnet
ist und daß eine digitale Steuerlogik (12) vorgesehen ist, die im Takt
eines vorgeschalteten Frequenzgebers (3) ein Steuersignal (2) erzeugt,
das im Wechselspiel mit der Stromabschaltung (11) als Ein- oder als
Aus-Signal am Eingang (13) der Treiberschaltung (9) bzw. der
Brückenschaltung (27) vorliegt.
2. Chopperschaltung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die digitale Steuerlogik (12) aus einem RS-Flip-Flop (14) besteht,
dessen einzige Ausgangsleitung (15) auf den Reset-Eingang (16)
zurückgekoppelt ist.
3. Chopperschaltung nach den Ansprüchen 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Strommeßwerterfassung (10) aus einem Komparator (17) besteht,
dessen Positiv-Eingang (18) mit einer Referenz-Spannung (19) verbunden
ist und dessen Negativ-Eingang (20) mit einem Sensorwiderstand (21)
und daß der Ausgang (22) des Komparators (17) mit der digitalen
Steuerlogik (12) und mit dem Eingang 613) der Treiberschaltung (9)
verknüpft ist.
4. Chopperschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die digitale Steuerlogik (12) Teil eines ASIC′s ist und daß die
Treiberschaltung (9), die Strommeßwerterfassung (10) und die
Stromabschaltung (11) separat angeordnet sind.
5. Chopperschaltung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die digitale Steuerlogik (12) einerseits und die
Strommeßerfassung (10) bzw. die Stromabschaltung (11) sowie die
Treiberschaltung (9) andererseits bidirektional miteinander verbunden
sind.
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