DE3806737A1 - Steuereinrichtung zum negativphase-bremsen eines schrittmotors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung zum Negativ­ phase-Bremsen eines Schrittmotors für das Abbremsen eines Schrittmotors zum Anhalten seines Rotors oder einer mecha­ nisch mit dem Rotor verbundenen Einrichtung an einer vorbe­ stimmten Position.

Bei der Anwendung eines Schrittmotors ist es in aller Regel erforderlich, den Rotor oder eine mit dem Rotor gekoppelte Einheit in eine Zielposition möglichst rasch zu bewegen und ein genaues Stoppen in der Zielposition zu erzielen. Wenn beispielsweise der Schreib- und Lesekopf einer statio­ nären Plattenspeichereinrichtung mit einem Schrittmotor an­ getrieben wird, ist es erforderlich, den Schreib- und Lese­ kopf rasch in eine angezielte Spur zu bringen, um die Zu­ griffzeit zu verringern. Ferner ist es erforderlich, daß der Kopf genau an der Spur angehalten wird, damit Daten korrekt geschrieben und gelesen werden können. Der Antrieb eines Schrittmotors mit hoher Geschwindigkeit ist in aller Regel nicht verträglich mit seinem genauen Anhalten. Das heißt, es ist nicht immer einfach, die beiden Betriebsbedingungen kom­ patibel miteinander zu gestalten. Ein Schrittmotor ist je­ doch in aller Regel vom Mehrphasen-Typ, beispielsweise vom Zweiphasen-Typ. Wenn daher eine von den beiden Phasenströmen der Zweiphasen-Spulen definierte Position spezifiziert ist, kann der Rotor in einer bestimmten Winkelposition genau an­ gehalten werden. Das heißt, der Rotor des Schrittmotors be­ sitzt eine Winkelposition, die einer Vektorposition ent­ spricht, welche durch die Phasenströme definiert ist, so daß der Rotor an dieser Position arretiert und angehalten werden kann. Beim Anhalten eines Rotors, welcher mit hoher Geschwin­ digkeit umläuft, oszilliert jedoch der Rotor um die Winkel­ position, in der er angehalten werden soll, selbst wenn die Phasenströme eine Vektorposition entsprechend dieser Winkel­ position bestimmen, bevor der Rotor stabil stehenbleibt. Das heißt, es verstreicht eine relativ lange Zeit, um den Rotor in der angezielten Position endgültig anzuhalten. Die hohe Umlaufgeschwindigkeit des Rotors verringert daher seine Wirksamkeit.

Demzufolge ist es beim Anhalten eines Schrittmotors, der mit hoher Drehzahl umläuft, erforderlich, den Rotor in geeigneter Weise abzubremsen, um seine Schwingungen um die Zielstopp­ position zu verhindern. Zu diesem Zweck ist ein Negativphase- Bremssystem bekannt. Bei diesem System wird, nachdem eine Vektorposition entsprechend der endgültigen Stopp-Position für den Schrittmotor mit den Phasenströmen bestimmt worden ist, eine Vektorposition bestimmt, die vor der oben beschrie­ benen Vektorposition um einen Schritt voraus liegt, so daß der Rotor des Schrittmotors mit einer Negativphase-Bremsung beaufschlagt ist, um die Rotordrehzahl zu verringern. Danach wird die Ausgangsvektorposition wiederum bestimmt, so daß der Rotor an der endgültigen Halteposition angehalten wird.

Bei einem herkömmlichen Negativphase-Bremssystem können die Zeitdauer, welche vom Zeitpunkt, an welchem die endgültige Vektorposition bestimmt ist, bis zur Bestimmung der Vektor­ position für die Negativphase-Bremsung und die Zeitdauer, welche verstreicht vom Zeitpunkt der oben beschriebenen Be­ stimmung der Vektorposition für die Negativphase-Bremsung bis zur erneuten Bestimmung der endgültigen Vektorposition, unabhängig voneinander festgesetzt werden. Wenn diese Zeit­ abläufe auf geeignete Werte festgesetzt sind, wird der Rotor des Schrittmotors ohne Schwingung bzw. mit einer oder zwei Schwingungen an der angestrebten Halteposition angehalten.

Das bekannte System ist jedoch noch in den folgenden Punkten beeinträchtigt: Die oben beschriebenen Zeitabläufe sind auf festgesetzte Werte festgelegt. Wenn daher die mechanische Belastung des Schrittmotors nach dem Festlegen der Zeit­ abläufe sich ändert, wird der Rotor nicht ausreichend oder zu stak abgebremst, so daß die erwartete Wirkung nicht er­ reicht wird. Außerdem ist das System äußerst empfindlich auf Änderungen der Versorgungsspannung für den Schrittmotor.

Aufgabe der Erfindung ist es, zur Vermeidung der beschriebe­ nen Schwierigkeiten bei einem herkömmlichen Negativphase- Bremssystem für einen Schrittmotor eine Steuereinrichtung zum Negativphase-Bremsen eines Schrittmotors zu schaffen, bei der selbst bei Änderungen der Betriebsbedingungen wie die mechanische Belastung und die Versorgungsspannung für den Schrittmotor die Negativphase-Bremsung positiv bewirkt wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im An­ spruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei der Erfindung wird die Zeitsteuerung für die Beaufschlag­ gung des Rotors mit der Negativphase-Bremsung und die Zeit­ steuerung der Rotorumdrehung bei erneuter Positivphase in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen des Schrittmotors gesteuert. Auf diese Weise weden die oben beschriebenen Schwierigkeiten, welche bei bekannten Einrichtungen auftre­ ten, vermieden. Um dies zu erreichen, wird bei der Erfindung ein Antriebssystem eines Schrittmotors vom Mehrphasen-Typ vorgesehen. Dieses enthält: eine Antriebsschaltung zur Lie­ ferung der Phasenströme an den Rotor des Schrittmotors für den Antrieb des Rotors und für das Anhalten des Rotors an einer vorbestimmten Position; eine Antriebsinstruktions­ einrichtung, welche Bestimmungssignale für die Antriebs­ schaltung vorsieht, welche eine von den Phasenströmen defi­ nierte Vektorposition bestimmt; eine Positionsdetektorschal­ tung zur Erfassung der vorhandenen Rotorposition und zur Aus­ gabe eines Ortungssignales, das die jeweils gerade erfaßte Position angibt; eine Signalwertfestsetzeinrichtung zum Festsetzen erster und zweiter Signalwerte, welche das jewei­ lige Ortungssignal an einer Zielposition, an welcher der Rotor angehalten werden soll, und an einer vorbestimmten Position vor dieser Zielposition jeweils annehmen soll, und eine Signalwertvergleichseinrichtung zum Vergleichen des Ortungssignalwerts mit dem ersten Signalwert und dem zweiten Signalwert und zur Bildung erster und zweiter Zustandssignale in Abhängigkeit von den Vergleichsergebnissen, so daß dann, wenn, nachdem die Antriebsinstruktionseinrichtung die Be­ stimmungssignale an die Antriebsschaltung zur Bestimmung der Zielposition abgegeben hat, der Rotor die festgesetzte Posi­ tion erreicht und das zweite Zustandssignal der Signalwert­ vergleichseinrichtung sich ändert, die Antriebsinstruktions­ einrichtung Bestimmungssignale an die Antriebsschaltung lie­ fert, welche eine Vektorposition bestimmen, die vor der Ziel­ position liegt, dabei der Rotor mit einem Negativphase-Brem­ sen beaufschlagt ist und, wenn der Rotor die Zielposition erreicht und das erste Zustandssignal der Signalwert­ vergleichseinrichtung seinen Pegel ändert, die Antriebs­ instruktionseinrichtung Bestimmungssignale an die Antriebs­ schaltung liefert, welche eine Vektorposition entsprechend der Zielposition bestimmt.

In der Steuereinrichtung zum Negativphase-Bremsen enthält die Antriebsinstruktionseinrichtung bevorzugt einen Mikro­ prozessor ähnlich wie im Fall eines herkömmlichen Schritt­ motors. Die Signalwertfestsetzeinrichtung und die Signal­ wertvergleichseinrichtung können gegebenenfalls im Mikro­ prozessor enthalten sein. Die Positionsdetektorschaltung kann so ausgebildet sein, daß die jeweilige Ortung für den Rotor direkt durch Hall-Elemente oder dgl. erfaßt wird. Be­ vorzugt ist die Schaltung jedoch wie folgt ausgebildet: Die gegenelektromotorische Kraft, welche in die Phasenspulen des Schrittmotors in der Weise induziert wird, daß sie sich dynamisch mit der Änderung der Winkelposition des Rotors ändert, wird erfaßt und differenziert zur Gewinnung des Ortungssignals, das die jeweilige Position des Rotors an­ gibt. Auf diese Weise kann die jeweilige Ortung des Rotors noch genauer durchgeführt und erfaßt werden. Die Zeit­ steuerung, mit der der Rotor mit dem Negativphase-Bremsen be­ aufschlagt ist, und die Zeitsteuerung, mit der der Rotor in positiver Phase umläuft, können noch wirkungsvoller ausge­ wählt werden.

Anhand der Figuren wird die Erfindung noch näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild für eine Steuereinrich­ tung zum Negativphase-Bremsen eines Schritt­ motors als Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung;

Fig. 2 ein Vektordiagramm zur Erläuterung der von den Phasenströmen des Schrittmotors gebil­ deten Vektoren;

Fig. 3 ein Zeitdiagramm mit Wellenformen der wesentlichen Signale in der erfindungs­ gemäßen Einrichtung;

Fig. 4 ein Schaltbild für ein Ausführungsbeispiel einer Steuereinrichtung zum Negativphase- Bremsen eines Schrittmotors nach der Erfin­ dung;

Fig. 5(A) bis 5(G) Zeitdiagramme, welche die Wellenformen wesentlicher Signale der in Fig. 4 darge­ stellten Einrichtung wiedergeben;

Fig. 6 ein Flußdiagramm zur Erläuterung des Be­ triebs einer in der Einrichtung der Fig. 4 enthaltenen Antriebsinstruktionseinrich­ tung und

Fig. 7(A) bis 7(C) Zeitdiagramme zur Darstellung von Wellen­ formen wesentlicher Signale in der erfin­ dungsgemäßen Einrichtung, welche beim An­ halten des Schrittmotors in der Richtung entgegengesetzt zur Anhalterichtung der Fig. 3 auftreten.

Der Bremsmechanismus gemäß der Erfindung wird zunächst an­ hand der Fig. 1 bis 3 erläutert.

In Fig. 1 besitzt ein Zweiphasen-Schrittmotor 10 einen Rotor 11 und Zweiphasen-Spulen 12 a und 12 b, welche den Stator des Motors bilden. Eine Antriebseinrichtung 20 besitzt zwei An­ triebsschaltungen 20 a und 20 b, welche Phasenströme Ia und Ib den Phasenspulen 12 a und 12 b liefern. Die Antriebsschal­ tungen 20 a und 20 b empfangen Bestimmungssignale DSa und DSb von einer Antriebsinstruktionseinrichtung 30, die aus einem Mikroprozessor bestehen kann. Die Bestimmungssignale DSa und DSb enthalten beispielsweise 2-Bit-Digitalsignale, welche für die Antriebsschaltungen 20 a und 20 b die Positionen von Vektoren bestimmen. Diese Vektoren sind definiert durch die Phasenströme Ia und Ib, welche positive, negative und Null- Fließrichtungen haben. Die Fig. 2 zeigt acht (8) Vektoren V 0 bis V 7, welche mit dem Bestimmungssignal, wie oben erläu­ tert, bestimmt werden können. Wenn die Vektoren im Uhrzeiger­ sinn (wie durch den Pfeil angedeutet) nacheinander mit den Bestimmungssignalen bestimmt sind, wird der Rotor 11 des Schrittmotors im Uhrzeigersinn gedreht. In diesem Fall kann jeder andere Vektor, beispielsweise nur die ungeradzahligen Vektoren, bestimmt werden.

Bei der Einrichtung nach der Erfindung kann eine Positions­ detektorschaltung 40 die jeweilige Position des Rotors 1 bei seiner Drehung erfassen. In einer der Einrichtungen wird die Wellenform der gegenelektromotorischen Kraft, welche in die Phasenspulen 12 a und 12 b während der Rotordrehung indu­ ziert wird, ausgenützt. Da der Magnetfluß des Rotors, wel­ cher die Phasenspulen kreuzt, die jeweilige Position des Ro­ tors wiedergibt, und die Wellenform der gegenelektromotori­ schen Kraft die Wellenform der Zeitdifferentiation davon ist, läßt sich die jeweilige Wellenform der Rotorposition durch eine Zeitintegration der gegenelektromotorischen Kraft erhalten. Im Hinblick hierauf enthält bei der Erfindung die Positionsdetektorschaltung 40 einen Differentialverstärker, der an den Mittelabgriffen von Widerständen 13 a und 13 b, welche parallel zu den Phasenspulen 12 a und 12 b geschaltet sind, mit Potentialen versorgt ist. Eine R-C-Integrierschal­ tung wird mit dem Ausgangssignal des Differentialverstärkers versorgt. In der Praxis kann, wie an einem Ausführungsbei­ spiel der Erfindung (später noch beschrieben) noch erläutert wird, die Integrierschaltung durch eine Differenzierschal­ tung ersetzt sein. Das heißt, die Wellenform für die Ortung bzw. die jeweilige Position, welche durch die Differenzier­ schaltung erhalten wird, ist gleich der Wellenform, welche durch die Integrierschaltung erzielt wird. In der Fig. 3 ist bei (a) die Wellenform für einen Ortungssignalwert SP, wel­ cher von der Positionsdetektorschaltung 40 ausgegeben wird, dargestellt. Die Fig. 3 zeigt, daß die Wellenform eine ge­ dämpfte Schwingungswellenform ist, welche zu einem bestimm­ ten Wert konvergiert.

Der Ortungssignalwert SP wird einer Signalwertvergleichs­ einrichtung 60 zugeleitet, welche beispielsweise zwei Kom­ paratoren 61 und 62 aufweisen kann. Der Komparator 61 ver­ gleicht den Ortungssignalwert SP mit einem ersten Signalwert SV I, der von einer Signalwertfestsetzeinrichtung 50 abgegeben wid, und liefert ein erstes Zustandssignal SS 1, das das Vergleichsergebnis wiedergibt. In gleicher Weise vergleicht der Komparator 62 den Ortungssignalwert SP mit einem zweiten Signalwert SV 2, der von der Signalwertfestsetzeinrichtung 50 geliefert wird, und bildet ein zweites Zustandssignal SS 2. Wie in Fig. 3 dargestellt ist, wird der erste Signalwert SV 1 auf einen Wert festgelegt, gegen welchen der Ortungssignal­ wert SP konvergiert, das heißt, auf einen Wert, welchen der Ortungssignalwert SP an der Zielposition, an welcher der Rotor angehalten werden soll, annehmen soll. Der zweite Signalwert SV 2 ist unterhalb des ersten Signalwertes SV 1 festgelegt. Das heißt, der zweite Signalwert wird auf einem Wert festgelegt, welchen der Ortungssignalwert SP an einer bestimmten Position vor der Zielposition annehmen soll. Der zweite Signalwert SV 2 dient zur Festlegung der Zeitsteuerung des Starts des Negativphase-Bremsvorgangs des Rotors. Er wird daher experimentell und aufgrund von Erfahrungswerten bestimmt, so daß das Negativphase-Bremsen des Rotors am wir­ kungsvollsten durchgeführt wird in Abhängigkeit von der Trägheit des Rotors, von der mechanischen Einheit, welche an den Rotor gekoppelt ist, der elektrischen Charakteristik des Schrittmotors und dgl.

Wenn die Antriebsinstruktionseinrichtung 30 an die Antriebs­ schaltungen 20 a und 20 b Bestimmungssignale DSa und DSb, wel­ che eine Vektorposition zum Setzen des Rotors 11 an einer Zielposition zu einem bestimmten Zeitpunkt, wie es in Fig. 3(a) dargestellt ist, liefern, schwingt der Ortungssignal­ wert SP, welcher von der Positionsdetektorschaltung 40 abge­ geben wird, wie es durch die strichlierte Linie dargestellt und oben erläutert ist. Wenn der Ortungssignalwert SP so ansteigt, daß er gleich dem Pegel des zweiten Signalwertes SV 2 zu einem Zeitpunkt t 1 ist, verändert sich der Pegel des zweiten Zustandssignals SS 2, welches vom Komparator 62 in der Signalwertvergleichseinrichtung 60 erzeugt wird, beispiels­ weise von einem niedrigen Pegel (L) auf einen hohen Pegel (H). Infolge der Pegeländerung ändert die Antriebsinstruk­ tionseinrichtung 30 die Werte der Bestimmungssignale DSa und DSb, so daß das Negativphase-Bremsen des Schrittmotors 10 bewirkt wird. Für die weitere Erläuterung wird angenommen, daß die Zielposition die Vektorposition V 1 in der Fig. 2 ist und zu einem früheren Zeitpunkt t 0 die Vektorposition V 1 an­ stelle der Vektorposition V 7 ausgewählt ist. In diesem Fall wird zum Zeitpunkt t 1 die Vektorposition V 0 oder V 7, welche vor der Zielposition liegt, mit den Bestimmungssignalen bestimmt. Das heißt, die Vektorposition ist bestimmt in Gegenrichtung zu den Bestimmungssignalen, welche von der An­ triebsinstruktionseinrichtung 30 abgegeben werden. Als Ergeb­ nis hiervon ergibt sich, daß der Schrittmotor 10 zwangsläu­ fig einer Negativphase-Bremsung unterworfen ist und die Ro­ tordrehzahl sich verringert. Deshalb hat zum Zeitpunkt t 1 und danach der Ortungssignalwert SP eine Wellenform, wie sie durch die ausgezogene Linie dargestellt ist. Diese unter­ scheidet sich von der Wellenform, welche durch die strich­ lierte Linie dargestellt ist.

Zum Zeitpunkt t 2, an welchem der Ortungssignalwert SP den ersten Signalwert SV 1 während des Negativphase-Bremsvorgangs annimmt, erreicht der Rotor des Schrittmotors die Zielposi­ tion und gleichzeitig ändert sich der Pegel des ersten Zu­ standssignals SS 1, welches vom Komparator 61 in der Signal­ wertvergleichsschaltung 60 vorgesehen wird, von einem niedri­ gen Pegel (L) zu einem hohen Pegel (H), wie es in der Fig. 3(c) gezeigt ist. Als Folge dieses Pegelwechsels ändert die Antriebsinstruktionseinrichtung 30 die Inhalte der Bestim­ mungssignale DSa und DSb zur Auswahl der Vektorposition V 1, d. h. der Zielposition. Als Ergebnis hiervon wirkt eine Blockierkraft auf den Rotor des Schrittmotors, so daß er in die Zielposition bewegt wird. Wie in Fig. 3(a) dargestellt ist, wird der Rotor in der Zielposition innerhalb relativ kurzer Zeit blockiert und vollständig angehalten.

Wie aus obiger Beschreibung zu ersehen ist, kann dann, wenn der Unterschied zwischen dem zweiten Signalwert SV 2 für die Bestimmung des Starts des Negativphase-Bremsvorgangs und dem ersten Signalwert SV 1 für die Zielposition äußerst gering ist, kein hoher Negativphase-Bremseffekt erwartet werden. Deshalb wird bevorzugt der zweite Signalwert SV 2 so bestimmt, daß, wie in der Fig. 3a gezeigt ist, der Rotor etwas über die Zielposition während des Negativphase-Bremsvorgangs hinausgeht. In dem Fall, in welchem die Bedingung lediglich durch die Wahl des zweiten Signalwertes SV 2, wie oben, nicht erfüllt werden kann, läßt sich die Vektorposition für den Negativphase-Bremsvorgang in Verbindung mit oben beschriebe­ nem Verfahren auswählen. Wenn die Betriebsbedingungen auf diese Weise festgelegt sind, kann der Rotor des Schrittmotors innerhalb einer beachtlich kurzen Zeit ohne ein Darüber­ hinausschießen in der Zielposition angehalten werden.

Bei dem Negativphase-Bremssystem nach der Erfindung wird im Gegensatz zu einem herkömmlichen System die Zeitsteuerung des Beginns des Negativphase-Bremsvorgangs nicht aus einem Zeitablauf bestimmt. Das heißt, die Zeitsteuerung wird be­ stimmt von dem Zeitpunkt, an welchem der Ortungssignalwert SP, welcher die aktuelle Bewegungssituation des Rotors dar­ stellt, mit dem zweiten Signalwert SV 2 übereinstimmt. Auf diese Weise werden aus verschiedenen Faktoren, wie bei­ spielsweise einer mechanischen Belastung und der Versor­ gungsspannung für den Schrittmotor, herrührende Wirkungen kompensiert und ein geeignetes Negativphase-Bremsen für den Schrittmotor erreicht. Demzufolge läßs sich der Rotor in der Zielposition innerhalb einer äußerst kurzen Zeit anhalten.

Die Fig. 4 zeigt ein Schaltbild für eine Steuereinrichtung zum Negativphase-Bremsen eines Schrittmotors nach der Erfin­ dung. Die Fig. 5 zeigt Wellenformen für Signale der Schal­ tung der Fig. 4. Die Fig. 6 zeigt ein Flußdiagramm für den Betrieb eines Mikroprozessors, welcher die Antriebsinstruk­ tionseinrichtung 30 im Schaltbild der Fig. 4 verkörpert.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Schrittmotor 10 dreh­ bar in Vorwärtsrichtung und in Rückwärtsrichtung, wie durch den Pfeil O in der Fig. 4 gezeigt ist. In Abhängigkeit von der Drehrichtung des Schrittmotors 10 bestimmt eine Signal­ wertfestsetzschaltung 52 zwei zweite Signalwerte SV 2 p und SV 2 n. Die Signalwertvergleichseinrichtung 60 liefert zwei zweite Zustandssignale SS 2 p und SS 2 n. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Einrichtungen 52 und 60 durch Hardware verwirklicht.

Wie die Fig. 4 außerdem zeigt, sind für die beiden Phasen­ spulen 12 a und 12 b des Zweiphasenschrittmotors 10 die An­ triebsschaltungen 20 a und 20 b vorgesehen. Diese Antriebs­ schaltungen 20 a und 20 b sind in ihrer Anordnung gleich und jede enthält vier Transistoren 21, vier Freilaufdioden 22 und vier Inverter 23. Die Antriebsinstruktionseinrichtung (Mikroprozessor) 30 liefert die Bestimmungssignale DSa und DSb, welche 2-Bitsignale sind. Die Bitsignale dieser Be­ stimmungssignale DSa und DSb werden den Basiselektroden der Transistoren 21 in Brückenschaltung zugeführt, so daß in jeder Brückenschaltung zwei Transistoren 21, die an diagonal entgegengesetzten Seiten liegen, und die restlichen Transisto­ ren 21 in der anderen Brückendiagonale abwechselnd in den leitfähigen Zustand (EIN) und in den nichtleitfähigen Zu­ stand (AUS) gesteuert sind. Wenn daher die Bits der Bestim­ mungssignale DSa und DSb abwechselnd auf einen niedrigen Pegel (L) gesetzt sind, liefern die Antriebsschaltungen 20 a und 20 b Positiv- oder Negativphase-Ströme an die Phasenspulen 12 a und 12 b. Wenn die Bits der Bestimmungssignale DSa und DSb auf einen hohen Pegel (H) angehoben sind, wird kein Strom an die Phasenspulen 20 a und 20 b geliefert. Die An­ triebsinstruktionseinrichtung 30 wählt eine der Kombinationen der Signalwerte der Bestimmungssignale DSa und DSb, wie oben beschrieben, aus für die Spezifizierung des Schritt­ motors 10 auf eine der acht Vektorpositionen V 0 bis V 7, welche von den Phasenströmen, wie in Fig. 2 gezeigt ist, ge­ bildet werden.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel enthält die Posi­ tionsdetektorschaltung 40 eine Verstärkerstufe 41, eine Fil­ terstufe 42 und eine Differenzierstufe 43, die etwa in der Mitte der Fig. 4 dargestellt sind. Die erste Stufe der An­ triebsschaltung 40, d. h. die Verstärkerstufe 41, ist ein Differentialverstärker, der im wesentlichen einen Operations­ verstärker 41 a mit zwei Eingangsklemmen aufweist. Diese wer­ den mit zwei Spannungen A und B an den Verbindungspunkten zweier Widerstandspaare 13 a und 13 b, welche parallel zu den Phasenspulen 12 a und 12 b des Schrittmotors 10 geschaltet sind, über Kondensatoren 41 b und 41 b versorgt. Wenn der Schrittmotor beispielsweise aus der Vektorposition V 7 in der Fig. 2 in Richtung zur Vektorposition V 1, welche als Ziel­ position ausgewählt ist, in der Weise bewegt wird, daß die Winkelstellung des Rotors 1 des Schrittmotors 10 zur Ziel­ position mit einer gedämpften Schwingung konvergiert, wie es in Fig. 5(A) dargestellt wird, zeigen die Spannungen A und B gegenelektromotorische Kraft-Wellenformen, die in Fig. 5(B) dargestellt sind. Diese Wellenformen stellen gedämpfte Schwingungen dar, welche durch Differentiation der Wellenform der Winkelposition erhalten werden, und sie sind gegeneinander um 180° phasenverschoben.

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel enthält die Signal­ wertfestsetzeinrichtung 50 eine erste Signalwertfestsetz­ schaltung 51 zum Festsetzen des ersten Signalwertes SV 1 und eine zweite Signalwertfestsetzschaltung 52 zum Festsetzen zweier zweiter Signalwerte SV 2 p und SV 2 n. Die Spannungen A und B werden so weit erhöht, bis der erste Signalwert SV 1 der ersten Signalwertfestsetzschaltung 51 mit Hilfe von drei Widerständen 41 d den in Fig. 5(B) dargestellten Verlauf an­ nimmt, so daß eine Vorspannung gleich dem ersten Signalwert SV 1 an die Verstärkerstufe 41 in der Positionsdetektorschal­ tung 40 angelegt ist. Jedoch wird der Betrieb der Verstärker­ stufe 41 durch die Vorspannung nicht stark beeinflußt. Das heißt, die Verstärkerstufe 41 arbeitet als Differential­ verstärker mit einem Rückkopplungswiderstand 41 c, so daß eine Zusammensetzung der beiden Wellenformen A und B an die Fil­ terstufe 42 gelegt ist. Die Filterstufe ist als Tiefpaßfilter ausgebildet mit einer sogenannten "Sekundärcharakteristik", in welcher die untere Grenzfrequenz durch einen Widerstand 42 b und einen Kondensator 42 c bestimmt ist. Die Filterstufe 42 dient zur Beseitigung feiner Störanteile aus der zusammen­ gesetzten Wellenform von A und B und liefert als Ausgangs­ signal ein zusammengesetztes Signal C, das in Fig. 5(C) dar­ gestellt ist. Die oben beschriebene erste Signalwertfest­ setzschaltung 51 enthält einen als Spannungsfolger geschal­ teten Operationsverstärker 51 a und liefert als Ausgangs­ signal den ersten Signalwert SV 1, der durch ein Widerstands­ paar 51 b bestimmt ist. Der erste Signalwert SV 1 wird durch einen Kondensator 51 stabilisiert.

In Abhängigkeit von der Vorspannung durch den ersten Signal­ wert SV 1 differenziert die Differenzierstufe 43, welche die letzte Stufe der Positionsdetektoreinrichtung 40 bildet, das zusammengesetzte Signal C mit einer Zeitkonstante, welche durch einen Kondensator 43 b und einen Widerstand 43 c bestimmt ist, und liefert als Ausgangssignal den Ortungssignalwert SP, wie er in Fig. 5(D) dargestellt ist. Aus einem Vergleich zwischen den Wellenformen der Fig. 5(A) und 5(D) ist er­ sichtlich, daß die Wellenform des Ortungssignalwertes SP im wesentlichen die Wellenform der Winkelposition des Rotors wiedergibt und die Wellenform für den Ortungssignalwert um so viel angehoben ist wie der erste Signalwert SV 1. Die Differenzierstufe 43 kann auch durch eine Integrations­ schaltung ersetzt sein.

Der Ortungssignalwert SP wird den ersten Eingangsklemmen von drei Komparatoren 61, 62 p und 62 n der Signalwertver­ gleichseinrichtung 60 zugeführt. Der oben beschriebene Signalwert SV 1 wird der anderen Eingangsklemme des Kompara­ tors 61, welcher ein erstes Zustandssignal SS 1 vorsehen kann, zugeführt. Die zweiten Signalwerte SV 2 p und SV 2 n, welche durch Widerstände 52 p und 52 n in der zweiten Signalwert­ festsetzschaltung festgelegt sind, werden den anderen Ein­ gangsklemmen der Komparatoren 62 p und 62 n zugeführt zur Er­ zeugung der zweiten Zustandssignale SS 2 p und SS 2 n. Der zwei­ te Signalwert SV 2 p und das zweite Zustandssignal SS 2 p dienen zur Drehung des Rotors 11 in die positive Richtung, und der zweite Signalwert SV 2 n und das zweite Zustandssignal SS 2 n dienen zur Drehung des Rotors 11 in die negative Richtung. Wie die Fig. 5(D) zeigt, ist der zweite Signalwert SV 2 p geringer als der rste Signalwert SV 1 und der zweite Signal­ wert SV 2 n ist höher als der erste Signalwert SV 1. Potential­ erhöhende Widrstände 63 sind an die Ausgangsklemmen der Komparatoren 61, 62 p und 62 n angeschlossen, so daß das erste Zustandssignal SS 1 und die zweiten Zustandssignale SS 2 p und SS 2 n, welche auf TTL-Pegel liegen, in Wellenformen entspre­ chend den Vergleichsergebnissen an die Antriebsinstruktions­ einrichtung (Mikroprozessor) 30 geliefert werden.

Der Betrieb der Einrichtung wird in Verbindung mit dem Be­ trieb der Antriebsinstruktionseinrichtung 30 unter Bezugnah­ me auf die Fig. 6 noch erläutert. Unmittelbar nach der Spezi­ fizierung der Vektorposition von der Vektorposition V 7 zur Vektorposition V 1 (der endgültigen Zielposition) für die An­ triebsschaltungen 20 a und 20 b mit den Bestimmungssignalen DSa und DSb in oben beschriebener Weise beginnt die Antriebs­ instruktionseinrichtung 30 mit ihrem Betrieb, wie es im Flußdiagramm der Fig. 7 dargestellt ist. Hierzu wird angenom­ men, daß im vorliegenden Fall der Schrittmotor 10 in die positive Richtung gedreht wird und die Antriebsinstruktions­ einrichtung 30 die Antriebsrichtung mit dem Richtungskenn­ zeichen DF, welches bei "H" liegt, gespeichert hat.

Im ersten Schritt S 1 liest die Antriebsinstruktionseinrich­ tung 30 die zweiten Zustandssignale SS 2 p und SS 2 n, welche als Ausgangssignale von der Signalwertvergleichseinrichtung 50 geliefert werden. Im zweiten Schritt S 2 wird dann be­ stimmt, ob das zweite Zustandssignal SS 2 p bei "L" liegt oder nicht. Zu diesem Zeitpunkt t 0 befindet sich das Zustands­ signal SS 2 p bei "L", wie aus der Fig. 3(b) ersichtlich ist. Es wird daher der Schritt S 1 wiederum in Gang gesetzt, d. h. dieser Zustand bleibt unverändert, bis der Ortungssignalwert SP, welcher die jeweilige Position des Rotors 11 wiedergibt, auf den zweiten Signalwert SV 2 p angehoben ist, wie es in Fig. 3(a) dargestellt ist. Wenn der Ortungssignalwert SP den zweiten Signalwert SV 2 p zum Zeitpunkt t 1 erreicht, wird das zweite Zustandssignal SS 2 p auf "H" angehoben, wie es in Fig. 3(b) dargestellt ist, und es wird der Schritt S 3 in Gang gesetzt. Im Schritt S 3 wird bestimmt, ob das zweite Zustandssignal SS 2 n, welches im Schritt S 1 gelesen wurde, bei "L" liegt oder nicht. Aus Fig. 5(G) ist jedoch ersicht­ lich, daß das zweite Zustandssignal SS 2 n vom Beginn an bei "H" gehalten ist und daß es nicht auf "L" gesetzt ist, bis der Ortungssignalwert SP den zweiten Signalwert SV 2 n, der höher ist als der erste Signalwert SV 1, erreicht. Demzufolge befindet sich zum Zeitpunkt t 1 das zweite Zustandssignal SS 2 n bei "H". Als Ergebnis der Bestimmung im Schritt S 3 er­ gibt sich hieraus "NEIN" (N), und der Schritt S 4 wird in Gang gesetzt. Im Schritt S 4 schaltet die Antriebsinstruk­ tionseinrichtung 30 die Bestimmungssignale DSa und DSb für das Negativphase-Bremsen am Schrittmotor 10. Im einzelnen bewirken hierbei die Bestimmungssignale, daß der Rotor zur Vektorposition V 7 zurückkehrt, die vor der Vektorposition liegt, welche der Zielposition entspricht, oder zu der Vek­ torposition V 1 sich bewegt, wenn er näher an der Zielposition sich befindet - je nach Lage des Falls. Hieraus ergibt sich, daß der Rotor 11 des Schrittmotors so abgebremst ist, daß seine Geschwindigkeit rasch verringert wird. Andererseits wird in der Antriebsinstruktionseinrichtung 30 der Betrieb von Schritt S 4 auf Schritt S 5 weitergeleitet.

Im Schritt S 5 liest die Antriebsinstruktionseinrichtung 30 das erste Zustandssignal SS 1, und im nächsten Schritt S 6 wird bestimmt, ob das Zustandssignal SS 1 bei "L" liegt oder nicht. Unmittelbar nach dem Zeitpunkt t 1, an welchem der Negativphase-Bremsvorgang gestartet worden ist, ist der Or­ tungssignalwert SP noch nicht ausreichend angehoben, und das erste Zustandssignal SS 1 liegt immer noch bei "L", wie es in Fig. 3(c) dargestellt ist. Es wird daraufhin der Schritt S 7 in Gang gesetzt. In diesem Fall befindet sich der Richtungs­ hinweis DF bei "H", und der Betrieb wird deshalb vom Schritt S 7 auf den Schritt S 5 verschoben. Das bedeutet, daß eine Schleife gebildet wird, in welcher die Schritte S 5 bis S 7 wiederholt durchgeführt werden, bis das erste Zustandssignal SS 1 auf "H" angehoben ist.

Wenn zum Zeitpunkt t 2 in Fig. 3 der Rotor 11 die Zielposition erreicht und das erste Zustandssignal SS 1 auf "H" angehoben ist, wird der Betrieb der Antriebsinstruktionseinrichtung 30 vom Schritt S 6 auf S 8 verschoben und die Schleife verlassen. Im Schritt S 8 wird bestimmt, ob das Richtungskennzeichen DF bei "L" liegt oder nicht. Für den Fall, daß das Richtungs­ kennzeichen DF bei "H" liegt, wird der Schritt S 9 in Gang ge­ setzt. Im Schritt S 9 liefert die Antriebsinstruktionsein­ richtung 30 als Ausgangssignale die Bestimmungssignale DSa und DSb zur Bestimmung der Vektorposition V 1, welche der Zielposition für die Antriebsschaltung entspricht. Das be­ deutet, daß im Schritt S 9 der Rotor im Negativphase-Brems­ stadium in Vorwärtsrichtung gedreht ist, so daß eine Blockierkraft auf den Rotor 11 ausgeübt wird, um diesen in der Zielposition anzuhalten. Auf diese Weise wird der Nega­ tivphase-Bremssteuervorgang des Rotors, der in positiver Richtung gedreht wird, vervollständigt.

Im folgenden wird der Betrieb beim Anhalten des Rotors, wel­ cher in negativer Richtung umläuft, in einer Zielposition beschrieben. Hierzu wird angenommen, daß die Antriebsinstruk­ tionseinrichtung 30 die negative Drehrichtung mit einem Richtungskennzeichen DF, das bei "L" liegt, gespeichert hat und der Rotor 11 z. B. von der Vektorposition V 1 in Fig. 2 zur Vektorposition V 7, welche die Zielposition ist, gedreht wird. Die Fig. 7 zeigt die Wellenformen der wesentlichen Signale bei der Drehung des Rotors in negativer Richtung.

Zum Zeitpunkt t 0, zu welchem der Betrieb gemäß dem Zeit­ diagramm der Fig. 6 gestartet wird, ergibt sich aus der Fig. 7(A), daß der Ortungssignalwert SP hoch ist. Im einzel­ nen ist ersichtlich, daß der Ortungssignalwert höher ist als der zweite Signalwert SV 2 p, welcher geringer ist als der erste Signalwert SV 1. Das zweite Zustandssignal SS 2 p befin­ det sich bei "H". Das Entscheidungsergebnis ist daher "NEIN". Der Betrieb wird daher vom Schritt 2 auf den Schritt 3 über­ geführt. Im vorliegenden Fall befindet sich der zweite Signalwert SS 2 n immer noch bei "L", wie aus Fig. 7(B) zu er­ sehen ist. Demzufolge ist im Schritt S 3 das Entscheidungs­ ergebnis "JA". Der Betrieb der Antriebsinstruktionseinrich­ tung 30 kehrt daher vom Schritt S 3 zum Schritt S 1 zurück. Die Wiederholung der Schritte S 1 bis S 3 wird so lange wie­ derholt, bis der Ortungssignalwert SP den gleichen Pegel hat wie der zweite Signalwert SV 2 n. Wenn zum Zeitpunkt t 1 der Ortungssignalwert SP den zweiten Signalwert SV 2 n erreicht und das zweite Zustandssignal SS 2 n auf "H" angehoben ist, wird der Schritt S 4 in Gang gesetzt. Im Schritt S 4 liefert die Antriebsinstruktionseinrichtung 30 als Ausgangssignale die Bestimmungssignale, welche z. B. den Vektor V 1 oder V 0 bestimmen, um den Schrittmotor mit dem Negativphase-Brems­ vorgang zu beaufschlagen, so daß dabei die Drehzahl des Rotors 11 verringert wird. Während dieses Steuervorgangs wird der Schritt S 5 in Gang gesetzt, so daß die Antriebs­ instruktionseinrichtung 30 das erste Zustandssignal SS 1 liest. Im nächsten Schritt S 6 wird bestimmt, ob das Zustands­ signal SS 1 bei "L" liegt oder nicht. Im vorliegenden Fall wird das Zustandssignal SS 1, wie in Fig. 7(C) dargestellt ist, selbst nach dem Zeitpunkt t 1 bei "H" gehalten. Demzu­ folge wird der Schritt S 8 in Gang gesetzt. Im Schritt S 8 ist das Entscheidungsergebnis "JA", da das Richtungskenn­ zeichen DF bei "L" liegt. Mithin wird der Schritt S 5 in Gang gesetzt. Es wird somit eine Schleife gebildet, die aus den Schritten S 5, S 6 und S 8 besteht. Die Schritte S 5, S 6 und S 8 werden so lange wiederholt, bis der Ortungssignalwert SP absinkt und den ersten Signalwert SV 1 erreicht. Wenn beim Abbremsen der Rotor 11 die Zielposition zum Zeitpunkt t 1 er­ reicht und währenddessen der Ortungssignalwert SP gleich dem ersten Signalwert SV 1 sowie das erste Zustandssignal SS 1 auf "L" gesetzt ist, wird der Schritt S 7 in Gang gesetzt. In die­ sem Schritt S 7 befindet sich das Richtungskennzeichen DF bei "L", und der Betrieb wird auf den Schritt S 9 weitergeleitet. Im Schritt S 9 sieht die Antriebsinstruktionseinrichtung 30 die Bestimmungssignale DSa und DSb zur Bestimmung der Vektor­ position V 7, welche die Zielposition ist, für die Antriebs­ schaltung vor. In Abhängigkeit davon wird der Rotor in der Zielposition blockiert und innerhalb relativ kurzer Zeit nach dem Zeitpunkt t 2 angehalten, wie es in Fig. 7(A) darge­ stellt ist.

Neben dem oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel sind modifizierte Ausführungsformen der Erfindung möglich.

Beispielsweise kann die erwähnte Positionsdetektorschaltung ersetzt werden durch eine Schaltung, mit der ein Ortungs­ signalwert vorgesehen werden kann, der im wesentlichen die jeweilige Position des Rotors des Schrittmotors korrekt wiedergibt oder dessen Wellenform. Dies kann durch Verwendung verschiedener herkömmlicher Schaltungen oder Einrichtungen in Kombination erzielt werden. Ferner ist es nicht immer er­ forderlich, Hardware zu verwenden, um die Signalwertfest­ setzeinrichtung oder die Signalwertvergleichseinrichtung zu bilden. Diese Einrichtungen können ganz oder zum Teil durch Software ersetzt werden in der Antriebsinstruktionseinrich­ tung, welche als Mikroprozessor ausgebildet sein kann.

Bei der Einrichtung nach der Erfindung wird im Gegensatz zu einer herkömmlichen Einrichtung, in welcher nur die Positiv­ phase-Blockierkraft an den Rotor gelegt wird und beim An­ halten des Rotors eine Schwingung des Rotors um die Ziel­ position erfolgt, der Negativphase-Bremsvorgang und der Positivphase-Blockiervorgang in Kombination zur Anwendung gebracht, so daß die Zeit, welche zum Anhalten des Rotors in der Zielposition benötigt wird, bis auf ein Zehntel re­ duziert werden kann.

Ferner wird bei der Erfindung die Zeitsteuerung des Beginns des Negativphase-Bremsvorgangs bestimmt aus der tatsächli­ chen Position des Rotors, welche durch den von der Positions­ detektorschaltung abgegebenen Ortungssignalwert wiedergege­ ben wird, und außerdem wird die Zeitsteuerung zur Durchfüh­ rung des Positivphase-Blockiervorgangs ebenfalls von der tatsächlichen Position des Rotors bestimmt. Bei der Steuerung des Negativphase-Bremsvorgangs nach der Erfindung kann daher im Vergleich zu einer herkömmlichen Steuerung, bei welcher die Zeitsteuerung des Beginns des Negativphase-Bremsvorgangs und die Zeitsteuerung des Beginns des Positivphase-Blockier­ vorgangs vorbestimmt sind, in besser angepaßter Weise ausge­ wählt werden und die Zeit, welche zum Anhalten des Rotors in der Zielposition benötigt wird, kann im wesentlichen auf die Hälfte reduziert werden. Während bei der herkömmlichen Steuerung des Negativphase-Bremsvorgangs die Negativphase- Bremswirkung verringert wird, wenn die Betriebsbedingungen des Schrittmotors, beispielsweise die mechanische Belastung oder die Versorgungsspannung sich ändern, werden bei der Steuerung des Negativphase-Bremsvorgangs nach der Erfindung die oben beschriebenen Wirkungen zu jeder Zeit in positiver Weise erreicht.

Claims (8)

1. Steuereinrichtung zum Negativphase-Bremsen eines Schrittmotors, gekennzeichnet durch

• - eine Antriebseinrichtung (20) zum Liefern von Phasen­ strömen (IA, IB) an einen mehrphasigen Schrittmotor (10) zum Antrieb eines Rotors (11) und Blockieren des Rotors (11) bei einer bestimmten Position;
• - eine Antriebsinstruktionseinrichtung (30), welche Bestim­ mungssignale (DSa, DSb) zur Bestimmung einer Vektor­ position, an der der Rotor (11) anzuhalten ist, für die Antriebseinrichtung (20) bildet;
• - eine Positionsdetektorschaltung (40) zur Erfassung der je­ weiligen Rotorposition und zur Bildung eines die Rotor­ position darstellenden Ortungssignalwertes (SP);
• - eine Signalwertfestsetzeinrichtung (50) zum Festsetzen eines ersten Signalwertes (SV 1) und wenigstens eines zwei­ ten Signalwertes (SV 2; SV 2 p, SV 2 n), welche der Ortungs­ signalwert (SP) an der Zielposition für den anzuhaltenden Rotor (11) und an einer bestimmten, vor der Zielposition liegenden Position annehmen soll, und
• - eine Signalvergleichseinrichtung (60) für den Vergleich des Ortungssignalwertes (SP) mit den ersten und zweiten Signalwerten (SV 1, SV 2; SV 2 n) und für die Bildung erster und zweiter, die Vergleichsergebnisse darstellen­ der Zustandssignale (SS 1, SS 2; SS 1 p, SS 1 n, SS 2 p, SS 2 n) als Ausgangssignale, welche der Antriebsinstruktions­ einrichtung (30) zugeführt werden, die in Abhängigkeit von den ersten und zweiten Zustandssignalen (SS 1, SS 2; SS 1 p, SS 1 n, SS 2 p, SS 2 n) so betrieben ist, daß ein Negativ­ phase-Bremsvorgang für den Schrittmotor (10) erfolgt, wenn der Ortungssignalwert (SP) den zweiten Signalwert (SV 2; SV 2 p, SV 2 n) erreicht.

2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß, nachdem Bestimmungssignale zur Bestimmung der Zielposition der Antriebsinstruktionseinrichtung (30) zuge­ leitet sind, die Antriebsinstruktionseinrichtung (30) der Antriebseinrichtung (20) Bestimmungssignale zur Spezifizie­ rung einer Vektorposition zuleitet, die vor der Zielposition liegt, wenn der Rotor (11) diese Vektorposition erreicht und das zweite Zustandssignal von der Signalwertvergleichs­ einrichtung (60) seinen Pegel ändert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Antriebsinstruktionseinrichtung (30) der An­ triebseinrichtung (20) Bestimmungssignale zur Spezifizierung einer Vektorposition, die der Zielposition entspricht, zu­ leitet, wenn der Rotor (11) die Zielposition erreicht und das erste Zustandssignal seinen Pegel ändert.

4. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Antriebsinstruktionseinrichtung (30) einen Mikroprozessor aufweist.

5. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der mehrphasige Schrittmotor den Rotor (11) und einen Stator, der aus mehrphasigen Spulen (12 a, 12 b) gebildet ist, enthält.

6. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Positionsdetektorschaltung (40) den Ortungssignalwert (SP) durch Differentiation der Wellenformen der schwingenden elektromotorischen Kraft, wel­ che in die Phasenspulen (12 a, 12 b) des Schrittmotors (10) induziert sind, bildet.

7. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß das erste Zustandssignal (SS 1; SS 1 p, SS 1 n) als Vergleichseingangssignal der Signalwert­ vergleichseinrichtung (60) zusammen mit dem Ortungssignalwert (SP) zugeleitet ist.

8. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Signalwertfestsetzeinrichtung (50) zwei zweite Signalwerte (SV 2 p, SV 2 n) für die positive und negative Drehrichtung des Schrittmotors (10) vorsieht, und daß die Signalwertvergleichseinrichtung (60) die beiden Signalwerte (SV 2 p, SV 2 n) mit dem Ortungssignalwert (SP) ver­ gleicht zur Erzeugung zweier zweiter Zustandssignale (SS 2 p, SS 2 n).