DE69002610T2

DE69002610T2 - Speiseverfahren für monophasenschrittmotor.

Info

Publication number: DE69002610T2
Application number: DE90810137T
Authority: DE
Inventors: Michel Schwab; Mai Xuan Tu
Original assignee: Detra SA
Current assignee: Detra SA
Priority date: 1990-02-23
Filing date: 1990-02-23
Publication date: 1994-02-17
Anticipated expiration: 2010-02-24
Also published as: EP0443294B1; ES2044523T3; JPH04217900A; KR920000170A; KR950010346B1; DE69002610D1; EP0443294A1; ATE92653T1; US5166590A; HK1002613A1; JP2739259B2

Description

Die vorliegende Erfindung hat ein Speiseverfahren für einen Schrittmotor zum Ziel, insbesonders für Uhren und gemäss dem Einleitungsteil des Patentanspruches 1.
Es sind für Quarzuhren mehrere Schrittmotor- Speisungsarten bekannt. Im Schweizer Patent CH-B-634194 wurde ein Speiseverfahren beschrieben, bei welchem der Motor durch einen Impuls von konstanter Dauer und Amplitude gespiesen wird. Dieses Verfahren weist den Nachteil eines grossen Energieverbrauches auf, da der Speiseimpuls nicht ja der tatsächlichen Belastung des Motors angepasst ist. Es wurden andere Lösungen vorgestellt, welche die Anpassung der Motorspeisung in Abhängigkeit der Belastung erlauben. Im Patent EP-A-0 021 320 wurde ein Speiseverfahren beschrieben, das allerdings den Nachteil aufweist, dass eine analoge Detektionsschaltung für verlorene Motorschritte und eine recht komplizierte Korrekturlogik-Schaltung verwendet werden müssen. In der Patentanmeldung EP-A-0 345 224 wurde ein neues Speiseverfahren für Schrittmotoren vorgeschlagen. Dieses Verfahren erlaubt es, dem Motor Spannungsimpulse mit variabler Dauer in Abhängigkeit der Belastung mit relativ einfach anzuwendenden Mitteln zu liefern. Kürzliche Versuche mit dieser Speiseart haben klargelegt, dass es möglich wäre, dieses Verfahren zwecks Reduktion des Motor- Energieverbrauches noch zu verbessern. Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Speiseverfahren für einen Schrittmotor vorzuschlagen, das die Realisierung einer grösseren Energieeinsparung erlaubt. Das Ziel wird dank der im Kennzeichnungsteil des Patentanspruches 1 aufgeführten Massnahmen erreicht. Die Erfindung wird noch besser verständlich nach dem Studium der folgenden Beschreibung und mit Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen, in welchen:
die Figur 1 eine Prinzipzeichnung eines Schrittmotors des bipolaren Monophasentyps darstellt;
die Figur 2 das Diagramm der statischen Drehmomente eines Schrittmotors des vorgenannten Typs darstellt;
die Figur 3 einen Speiseimpulse-Typ dieses Motors darstellt;
die Figur 4a den Strom und die Spannung darstellen, welche beim erfindungsgemäss vorgesehenen Speiseverfahren am Motor auftreten bzw. angelegt werden, wobei der Motor nicht durch ein mechanisches Drehmoment belastet wird;
die Figur 4b den Strom und die Spannung darstellen, welche beim gleichen, erfindungsgemäss vorgesehenen Speiseverfahren nach Figur 4a am Motor auftreten bzw. angelegt werden, wobei jedoch der Motor durch ein mechanisches Drehmoment belastet wird;
die Figur 5 die Stromänderung während des Zeitintervalles T&sub5;&sub1; darstellt, das zwei partielle Impulse trennt;
die Figur 6 das Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels des Speiseverfahrens gemäss der Erfindung darstellt;
die Figur 7 das Detailschaltbild des Elementes 11 aus dem Blockschaltbild nach Figur 6 darstellt;
die Figur 8 das Detailschaltbild des Elementes 14 aus dem Blockschaltbild nach Figur 6 darstellt.
Die Figur 1 stellt in schematischer Art eine Prinzipausführung eines bipolaren Monophasen-Schrittmotors dar. Dieser Motor wird gebildet aus: einem Rotor, bestehend aus einem zylindrischen Permanentmagnet 1 mit diametraler Magnetisierunng und einem Stator, bestehend aus einer Wicklung 2, einem Wickklungskern 3 und den Polschuhen 4a und 4b aus weichferromagnetischem Material.
Die Figur 2 stellt die auf den Rotor des Motors einwirkenden Drehmomente in Abhängigkeit der Winkelstellung dar. Das Positionier-Drehmoment Ta resultiert aus der Wechselwirkung zwischen dem Magneten und der Geometrie der Stator-Polschuhe. Das gegenseitige Drehmoment Tab resultiert aus der Wechselwirkung des durch die Wicklung erzeugten Feldes, sobald letztere gespiesen wird. Das Drehmoment Tm stellt die Summe aller auf den Rotor einwirkenden Drehmomente mechanischer Herkunft dar. Diese Figur zeigt, dass die Drehmomente Ta und Tab um etwa 45 Grad phasenverschoben sind. In der Ruhestellung ist der Rotor zuerst auf dem Punkt S&sub1; positioniert, dies wegen des Drehmomentes Ta, sobald ein Spannungsimpuls zur Wicklung gesandt wird, dreht sich der Rotor unter der Wirkung des Drehmomentes Tab in Richtung von 52.
Üblicherweise wird die Motorwicklung mit einem Spannungsimpuls konstanter Spannung und Dauer gespiesen, wie in der Figur 3 gezeigt wird. Die Impulsdauer wird genügend lang gewählt, so dass dem Motor ermöglicht wird, den Schritt auch unter den schlechtesten Bedingungen zu vollziehen, zum Beispiel im Falle eines Spannungseinbruches der Batterie oder auch bei einer Erhöhung des mechanischen Drehmomentes Ta. Da der Motor meistens unbelastet ist und mit seiner Nennspannung betrieben wird, resultiert deshalb unter normalen Betriebsbedingungen wegen der konstanten und genügend langen Impulsdauer ein unnötiger Energieverlust.
Die Figur 4a stellt den Strom und die Spannung dar, welche beim erfindungsgemässen Speiseverfahren an der Motorwicklung auftreten bzw. angelegt sind, wobei der Motor nicht durch ein mechanisches Drehmoment belastet wird.
Der zerhackte Spannungsimpuls mit der Gesamtdauer T&sub7; wird gebildet aus einem partiellen Impuls von der Dauer T&sub4; und aus 11 partiellen Impulsen von variabler Dauer T&sub6;&sub1;, welche durch Zeitintervalle T&sub5;&sub1;, T&sub5;&sub2; --- T&sub5;&sub1; von variabler Dauer getrennt werden. Die Abfolge der partiellen Impulse geschieht auf folgende Weise: zuerst wird die Motorwicklung mit einem Impuls mit konstanter Spannung und der Dauer T&sub4; von 0,8 ms gespiesen, wobei sich der Wicklungsstrom von Null auf den Wert i&sub1; erhöht, und zwar nach der Spannungsgleichung:
U = R i + L di/dt + K Q (1)
in welcher bedeuten:
U = angelegte Spannung
L = Induktivität
i = Strom
t = Zeit
K = Koppelfaktor, welcher die Änderung des gegenseitigen Flusses zwischen dem Magneten und der Wicklung ausdrückt
Q= Winkelgeschwindigkeit
Nach diesem ersten partiellen Spannungsimpuls, d.h. ab t = T&sub4;, wird die Motorwicklung kurzgeschlossen. Der Wicklungsstrom ändert sich ab diesem Zeitpunkt nach der Gleichung:
O = R i + L di/dt + K Q (2)
Nachdem dieser Strom bis auf einen Referenzwert Iref abgenommen hat, d.h. zum Zeitpunkt t = T&sub4; + T&sub5;&sub1;, wird die Wicklung wiederum mit einem zweiten partiellen Impuls von konstanter Spannung und mit der Dauer T&sub6;&sub1; angespiesen, die gleich lang ist wie die ihr vorangehende Kurzschliess Dauer T&sub5;&sub1;. Der Wicklungsstrom erhöht sich während der Dauer T&sub6;&sub1; vom Wert Iref auf den Wert i&sub2; und die Wicklung wird zum Zeitpunkt t = T&sub4; + T&sub5;&sub1; + T&sub6;&sub1; = T&sub4; + 2 T&sub5;&sub1; wiederum kurzgeschlossen, und so weiter. Für diesen Betriebszustand, d.h. bei unbelastetem Motor, beträgt die gesamte Dauer T&sub7; des zerhackten Impulses 4,8 ms und der Motorverbrauch 0,65 uAs.
Die Figur 4b stellt den Strom und die Spannung dar, welche beim gleichen, erfindungsgemäss vorgesehenen Speiseverfahren wie nach der Figur 4a am Motor auftreten bzw. angelegt werden, wobei jedoch der Motor durch ein mechanisches Drehmoment von 0,2 uNm belastet wird. Die gesamte Impulsdauer T&sub7; erhöht sich von 4,8 ms im vorhergehenden Fall auf 10,8 ms im vorliegenden Fall, und der Verbrauch des Motors beläuft sich im vorliegenden Fall auf 1,7 uAs. Es besteht also eine automatische Anpassung der gesamten Impulsdauer in Abhängigkeit der Motor-Belastung, und dank dieser Anpassung erlaubt das erfindungsgemässe Speiseverfahren von der Batterie zu liefernde Energie einzusparen.
Die Figur 5 stellt die Stromänderung während des Zeitintervalles T&sub5;&sub1; dar, das zwei partielle Spannungsimpulse trennt. Die Motorwicklung wird während dieses Zeitintervalles kurzgeschlossen, und man erhält in der Folge, ja basierend auf der Gleichung (2):
T&sub5;&sub1; = L Δi/R im + K Q (3)
Die Gleichung (3) zeigt, dass die Dauer des Zeitintervalles T&sub5;&sub1; von der Drehgeschwindigkeit des Motors abhängig ist. Eine Erhöhung des mechanischen Drehmomentes des Motors erzwingt eine Verkleinerung der Drehgeschwindigkeit Q, was eine Erhöhung des Intervalls T&sub7; zur Folge hat.
Die gesamte Dauer T&sub7; des zerhackten Impulses ist gegeben durch:
In dieser Gleichung stellt n die gesamte Anzahl partieller Impulse von der Dauer T&sub6;&sub1; dar (n = 11 für das in den Figuren 4a und 4b veranschaulichte Beispiel).
Die Gleichungen (3) und (4) erlauben die Erklärung der Anpassung der Impulslänge in Abhängigkeit der Belastung durch das erfindungsgemäss vorgeschlagene Speiseverfahren.
Die Figur 6 stellt das Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels des Speiseverfahrens gemäss der Erfindung dar. Ein Zeitbasis-Signal, aus dem Oszillator Q stammend, wird zu einer Teiler- und Signalformer-Schaltung 10 geleitet, an deren Ausgang die Signale Motor-Speiseperiode T&sub0; und Oszillator-Basisperiode TB gewonnen werden. Die Signale T&sub0;, Te ebenso wie ein Signal C am Ausgang eines Komparators 12 werden zu einer Logikschaltung 11 geleitet, welche Steuersignale D&sub1;, D&sub2;, D&sub3;, D&sub4; einer Ausgangsstufe (Treiber) 14 liefert.
Ein Messwiderstand r ist in Serie mit einem Motor M am Ausgang des Treibers 14 angeschlossen, und eine Messeinheit 13 wandelt die Spannung an den Klemmen des Messwiderstandes r in ein Signal um, das ein Abbild des Stromes i ist, und dieses wird zum Komparator 12 geleitet.
Die Figur 7 stellt eine Ausführungsvariante des Elementes 11 aus dem Blockschaltbild nach Figur 6 dar. Die Quarz-Basisperiode und die Motor-Speiseperiode T&sub0; werden einem Eingang eines Zählers 20 zugeleitet, der die Bestimmung der Breite des ersten partiellen Impulses von der Dauer T&sub4; erlaubt. Ein Ausgang des Zählers 20 ist mit einem der 2 Eingänge eines "ODER"-Tores 21 verbunden. Der Ausgang des "ODER"-Tores 21 betätigt die Aufzählfunktion eines "AUF-AB-ZÄHLERS" 22. Das vom Komparator 12 gemäss Figur 6 stammende Signal C betätigt gleichzeitig die Abzählfunktion des "AUF-AB-ZAHLERS" 22 und das Einschalten (Setzen) "S" eines D-Flip-Flops 24. Die Nullstellung (Rücksetzen) "R" des D-Flip-Flops 24 wird mit den über ein "ODER"-Tor 23 verknüpften Ausgangssignalen des Zählers 20 und dem zähl-Endsignal F des "AUF-AB-ZÄHLERS" 22 gesteuert. Ein Ausgang QD des D-Flip-Flops 24 wird zu einer herkömmlichen Logikschaltung 25 geführt, welche die Steuersignale D&sub1;, D&sub2;, D&sub3;, D&sub4; liefert.
Die Figur 8 stellt das Detailschaltbild des Elementes 14 (Treiber) aus dem Blockschaltbild nach Figur 6 dar. In einer H-förmigen Brücke sind Ausgangstransistoren 31, 32, 33, 34 angeordnet, welche durch die Signale D&sub1;, D&sub2;, D&sub3; , D&sub4; angesteuert werden, die von der Schaltung 25 herstammen.

Claims

1. Speiseverfahren für Monophasenschrittmotor für Uhren, geeignet um einem Motor zerhackte Spannungsimpulse der Dauer T&sub7;, die in Funktion der Ladung und in Funktion der Nutzspannung des Motors variabel sind, zuzuführen, dadurch gekennzeichnet, dass bewirkt wird, dass jeder der genannten zerhackten Spannungsimpulse aus einem ersten partiellen Spannungsimpuls der Dauer T&sub4; und einer Folge von partiellen Spannungsimpulsen mit gleicher Polarität wie der erste partielle Spannungsimpuls und der Dauer T6i zusammengesetzt ist, und dass die Zeitintervalle T5i, welche die genannten partiellen Spannungsimpulse trennen, in Funktion der Ladungsbedingungen und in Funktion der Spannungsspeisung des Motors variabel sind, und dass jede variable Dauer T6i dem Zeitintervall T5i proportional ist, das diesem vorangeht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während der genannten Zeitintervalle T5i die Motorwicklung kurzgeschlossen wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnete dass jedes der genannten zeitintervalle T5i durch das Ende von einem der genannten partiellen Impulse der Dauer T&sub4; oder der Dauer T6i und durch den diesem Ende folgenden Zeitpunkt begrenzt wird, wo der Strom der Motorwicklung kleiner oder gleich einem Referenzwert Iref ist.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnete dass der genannte zerhackte Impuls aus einer konstanten Anzahl von partiellen Impulsen zusammengesetzt ist.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnete dass der genannte zerhackte Impuls unterbrochen ist, während das genannte Zeitintervall T5i einen Referenzwert Tref übersteigt.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2 und 3 oder nach den Ansprüchen 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorwicklung zwischen zwei der genannten zerhackten Impulse kurzgeschlossen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, zwei aufeinanderfolgende zerhackte Impulse der Dauer T&sub7; von gleicher Polarität oder entgegengesetzter Polarität sind.