DE69600215T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Steuern eines einphasigen Schrittmotors - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung hat ein Verfahren zur Speisung eines Schrittmotors für ein Uhrwerk sowie eine Vorrichtung zu dessen Durchführung zum Gegenstand.
• Ein in Uhrwerken verwendeter Schrittmotor funktioniert generell mit extrem geringer Last, ausser in einigen speziellen Fällen wie zum Beispiel bei einem Schlag oder während des Übergangs des Kalenders. Daher ist es interessant, mit dem Ziel, die durch die Batterie gelieferte Energie zu sparen, ihn mit an die Last des Motors angepassten Impulsen zu speisen.
• Es wurden schon mehrere Typen von angepassten Speisungen vorgeschlagen, wie zum Beispiel die im Patent EP-B-0 021 320 beschriebene.
• Diese Speisungen haben den Nachteil eines ziemlich komplexen Betriebes, was den Schaltkreis verteuert.
• Im Patent EP-B-0 345 224 schlagen die Autoren ein Speiseverfahren eines Schrittmotors mit einem einfachen Betrieb des Steuerschaltkreises vor; gleichwohl weist dieses Verfahren zwei Hauptnachteile auf, nämlich:
• - Damit das Verfahren korrekt funktioniert, muss der Referenzstrom Iref in einem ziemlich grossen Spannungs- und Temperaturbereich genügend genau sein. Wenn auch diese Genauigkeit technisch erreicht werden kann, impliziert sie doch eine Verteuerung des Schaltkreises.
• - Wenn das Niveau des Referenzstromes ziemlich hoch festgelegt wird, ist der Gewinn beim Energieverbrauch gering; dagegen ist, wenn das Niveau des Referenzstromes gering ist, das durch den Motor entwickelte Drehmoment begrenzt, was bei starken Schlägen zum Verlust von Schritten führen kann.
• Das Gesuch EP-A-0 097 350 beschreibt ein Verfahren zur Speisung eines Schrittmotors, bei welchem die Speisung der Spule während einer ersten Periode durch zerhackte Impulse erfolgt, deren Tastverhältnis konstant ist. Folglich wird der Motor durch einen Strom gespiesen, der nur zwischen zwei festen Grenzen variiert. Diese beiden Charakteristiken erlauben keine so grosse Energieeinsparung wie die durch das Verfahren nach der Erfindung erreichte.
• Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, Lösungen vorzuschlagen, die es erlauben, die vorerwähnten Nachteile zu beheben und die gleichen Vorteile der Einfachheit des im Patent EP-B-0 345 224 beschriebenen Verfahrens beizubehalten.
• Dieses Ziel wird durch ein Verfahren zur Speisung eines Schrittmotors mit den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 bis 9, durch eine Vorrichtung zur Speisung eines Schrittmotors entsprechend dem Anspruch 10 und durch die im Anspruch 11 erwähnte Anwendung der besagten Vorrichtung in einem Uhrwerk erreicht.
• Die Erfindung wird besser verstanden werden beim Lesen der folgenden Beschreibung, die sich auf die beiliegenden Zeichnungen bezieht, in welchen:
• - die Fig. 1a, 1b, 1c und 1d jeweils in Funktion der Zeit, den Strom, die Spannung, die Winkelgeschwindigkeit und den Drehwinkel eines nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung gespiesenen Schrittmotors zeigen, wobei der Motor nicht belastet ist.
• - die Fig. 2a und 2b Vergrösserungen der Fig. 1a und 1b zeigen.
• - die Fig. 3a, 3b, 3c und 3d in Funktion der Zeit, den Strom, die Spannung, die Winkelgeschwindigkeit und den Drehwinkel des Motors unter den gleichen Bedingungen der Speisung wie jene der Fig. 1a, 1b, 1c, 1d zeigen, wobei der Motor durch ein mechanisches Drehmoment belastet ist.
• - die Fig. 4a und 4b Vergrösserungen der Fig. 3a und 3b zeigen.
• - die Fig. 5a und 5b den Strom und die Spannung des belasteten Motors mit einer Erhöhung des Niveaus des Referenzstromes zeigen.
• - die Fig. 6a und 6b den Strom und die Spannung des belasteten Motors mit einer Erhöhung des Tastverhältnisses des Impulses T&sub1; zeigen.
• - die Fig. 7a und 7b den Strom und die Spannung des belasteten Motors mit einer gleichzeitigen Änderung des Referenzstroms und des Impulstastverhältnisses T&sub1; zeigen.
• - die Fig. 8a und 8b den Strom und die Spannung des Motors unter gleichen Speisebedingungen wie jene der Fig. 7a und 7b zeigen, wobei der Motor im Leerlauf dreht.
• - die Fig. 9 ein Blockschema eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Durchführen des Speiseverfahrens nach der Erfindung zeigt.
• - die Fig. 10 die Einzelheit des Blockes 92 der Fig. 9 zeigt.
• Die Fig. 1a, 1b, 1c und 1d zeigen jeweils in Funktion der Zeit, den Strom, die Spannung, die Winkelgeschwindigkeit und den Drehwinkel des Rotors eines nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung gespiesenen einphasigen Schrittmotors, wobei der Motor im Leerlauf dreht, das heisst nicht durch ein mechanisches Drehmoment belastet ist. In diesem Fall ist die Winkelgeschwindigkeit des Motors erhöht (nahe 800 radis) und der Motor macht seinen Schritt von 0 auf 180 Grad nach ungefähr 8 ms.
• Die Fig. 2a und 2b zeigen Vergrösserungen der Fig. 1a und 1b.
• Die Folge von gehackten Spannungspulsen der Dauer T&sub6; ist gebildet durch eine ersten Folge von gehackten Pulsen mit konstanter Dauer T&sub1;, definiert durch die Perioden T1on, während denen die Spule des Motors durch eine Spannung von 1,5 Volt gespiesen wird und durch Perioden T1off, während denen die Spule des Motors kurzgeschlossen ist, gefolgt von einer anderen Folge von Teii-Pulsen mit konstanter Dauer T&sub4;, die voneinander durch variable Intervalle T5i (mit i = 1 bis 6) getrennt sind.
• In diesem Beispiel:
• T&sub1; =3,7 ms
• T1on = 0,7 ms
• T1off = 0,3 ms
• T&sub4; = 0,4 ms
• Die Abfolge von Teil-Pulsen T&sub4; wird in folgender Weise gebildet: am Ende der Folge von gehackten Pulsen der Dauer T&sub1;, der Motorstrom ist gleich I&sub1;, wird die Spule des Motors kurzgeschlossen. Der Strom nimmt vom Wert I&sub1; bis auf einen Referenzwert gleich, zum Beispiel, 100 uA ab. Von diesem Moment, das heisst dem Moment t = T&sub1; + T&sub5;&sub1;, wird die Spule wieder während der Dauer T&sub4; durch eine Spannung von 1,5 Volt gespiesen.
• Nach dieser Dauer, das heisst im Moment t = T&sub1; + T&sub5;&sub1; + T&sub4;, wird die Spule des Motors kurzgeschlossen bis zum Moment, in dem der Motorstrom unterhalb oder gleich Iref ist und so weiter.
• Der Speisevorgang wird unterbrochen, wenn einer der folgenden Zustände auftritt:
• - Die Zahl der Teil-Pulse der Dauer T&sub4; erreicht eine Grenze; in diesem Beispiel wird die auf 15 festgesetzte Grenzzahl nicht erreicht.
• - Die totale Dauer T&sub6; der Pulse überschreitet einen Grenzwert. In diesem Beispiel wird diese auf 15 ms festgesetzte Grenze nicht erreicht.
• - Einer der Zeitintervalle T&sub5;&sub1; überschreitet einen Grenzwert. In diesem Beispiel wird diese auf 1 ms festgesetzte Grenze Tret bei der Zeit t = 7,5 ms erreicht.
• In diesem Fall wird diese Grenze während des letzten Stromimpulses erreicht, dessen von den vorangehenden abweichende Form vom Durchgang des Rotors des Schrittmotors bei 180º herrührt.
• Die Fig. 3a, 3b, 3c und 3d zeigen den Strom, die Spannung, die Winkelgeschwindigkeit und den Drehwinkel, während der Motor durch ein mechanisches Drehmoment belastet ist, wobei die Speisebedingungen mit jenen des vorangehenden Beispiels identisch sind, das heisst:
• T&sub1; = 3,7 ms
• T1on = 0,7 ms
• T1off = 0,3 ms
• T&sub4; = 0,4 ms
• Iref = 100 uA
• Man stellt fest, dass sich die Geschwindigkeit des Rotors gegenüber dem vorhergehenden Fall leicht verringert und die totale Pulsdauer T&sub6; von 7,5 ms des vorangehenden Falles auf ungefähr 10 ms steigt.
• Die Fig. 4a und 4b zeigen Vergrösserungen der Fig. 3a und 3b.
• Ein einfaches Durchführungsmittel zum Detektieren des Niveaus der Belastung des Motors besteht darin, die totale Pulsdauer T&sub6; mit einer vorbestimmten Detektionsdauer Td2 zu vergleichen. Die Dauer Td2 ist eine Funktion der mechanischen Zeitkonstante des Motors, das heisst seiner Trägheit und seines Nominal-Drehmoments.
• Wenn die totale Dauer T&sub6; oberhalb Td2 ist, das heisst, dass der Motor eine erhöhte Last aufzunehmen hat, muss das Energieniveau der Speisungspulse erhöht werden.
• Die Fig. 5a und 5b zeigen die durch eine erste Methode zum Erhöhen des Energieniveaus der Spannungspulse gelieferte Spannung, die darin besteht, das Niveau des Referenzstromes zu erhöhen und dabei die anderen Parameter konstant zu halten, das sind:
• T&sub1; = 3,7 ms
• T1on = 0,7 ms
• T1off = 0,3 ms
• T&sub4; = 0,4 ms
• Iref = 240 uA
• In diesem Fall stellt man fest, dass die Speisungsdauer, wenn der Motor belastet ist, praktisch gleich jener des Beispiels der Fig. 1 ist, wenn der Motor im Leerlauf dreht.
• Eine zweite Methode zur Erhöhung des Energieniveaus der Speisungspulse besteht darin, das Tastverhältnis des Pulses T&sub1; zu erhöhen, welches definiert ist durch
• T1on/T1on/T1off
• Die Fig. 6a und 6b illustrieren den Strom und die Spannung des belasteten Motors mit den folgenden Speisungsbedingungen:
• T&sub1; = 3,7 ms
• T1on = 0,8 ms
• T1off = 0,2 ms
• T&sub4; = 0,4 ms
• Iref = 100 uA
• In diesem Fall stellt man fest, dass die Speisungsdauer unter Belastung praktisch gleich 7,5 ms ist, wie im vorhergehenden Fall.
• Eine dritte Methode zur Erhöhung des Energieniveaus der Speisungspulse besteht im gleichzeitigen Verändern des Tastverhältnisses des Impulses T&sub1; und des Referenzstromes Iref.
• Die Fig. 7a und 7b zeigen den Strom und die Spannung, welche durch die Dritte Methode zur Erhöhung der Energie der Speisungspulse geliefert werden. I&sub1; ist der Motorenstrom am Ende des Impulses T&sub1;, der Referenzstrom ist mit gleich k I&sub1; festgelegt, wobei k eine vorbestimmte konstante ist. Systematische Versuche mit verschiedenen Typen von Motoren haben gezeigt, dass der optimale Wert von k zwischen 0,6 und 0,9 liegt. In dem durch die Fig. 7a und 7b dargestellten Beispiel sind die festgelegten Parameter die folgenden:
• T&sub1; = 3,7 ms
• T1on = 0,75 ms
• T1off = 0,25 ms
• T&sub4; = 0,4 ms
• k = 0,6
• Die Fig. 8a und 8b zeigen den Strom und die Spannung des unter den gleichen Bedingungen wie im Beispiel nach den Fig. 7a und 7b gespiesenen Motors, aber der Motor dreht im Leerlauf. In diesem Fall beobachtet man, dass die totale Pulsdauer auf ungefähr 6 ms reduziert ist. Die Reduktion der Pulsdauer des Motors führt zu einer Erhöhung des durch den Überschuss an kinetischer Energie des Rotors verursachten Energieverbrauchs. Zum Zurückholen dieses Verbrauchs auf ein optimales Niveau besteht eine der Lösungen darin, die totale Dauer T&sub6; mit einer leicht unterhalb der Dauer Td2 liegenden Detekionszeit Td1 zu vergleichen.
• Wenn die Dauer T&sub8; unterhalb von Td1 ist, das heisst, dass die restliche kinetische Energie zu gross ist, muss das Energieniveau der Speisungspulse reduziert werden, sei es durch eine Reduktion der Höhe des Referenzstromes, sei es durch eine Reduktion des Tastverhältnisses der Pulse T&sub1; oder dann durch eine Kombination dieser beiden Parameter.
• Die Fig. 9 zeigt ein Blockschema eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens zur Speisung nach der Erfindung. Das vom Oszilator Q kommende Zeit-Basissignal wird zum Divisionsund Aufbereitungsschaltkreis 90 geführt, an dessen Ausgang man die Speisungsperiode T&sub0; des Motors erhält (entsprechend der Dauer zwischen zwei Anfängen von Puisfolgen, im allgemeinen 1 Sekunde, 30 Sekunden oder 1 Minute nach dem Typen des Uhrwerks), die Dauer T&sub4; der Teilpulse, die Dauer T&sub1; des ersten zerhackten Pulses, die Referenzdauer Tref wie auch die Detektionsdauern Td1 und Td2. Der Logikschaltkreis 91 erhält an seinem Eingang die verschiedenen durch den Schaltkreis 90 gelieferten Dauern, das durch den Regelkreis 93 gelieferte Tastverhältnis DC und das vom Vergleicher 94 kommende Signal C, liefert die Befehlssignale D1, D2, D3 und D4 zur Endstufe (Driver) 92. Ein Messwiderstand r ist am Ausgang des Drivers 92 mit dem Motor M in Serie geschaltet und der Messblock 95 transformiert die Spannung an den Klemmen des Messwiderstandes r in ein Signal i, welches das Bild des im Motor und im Widerstand r fliessenden Stromes darstellt, bevor es zum Vergleicher 94 geführt wird. Der Regelkreis 93 vergleicht die Dauern Td1 und Td2 mit der totalen Pulsdauer T&sub5; und liefert an seinem Ausgang das Tastverhältnis DC und den Wert des Referenzstromes Iref angepasst an die Belastung des Motors.
• Die Fig. 10 zeigt das Detail des mit dem Motor M und dem Widerstand r gekoppelten Drivers 92 des Blockschemas der Fig. 9. Die Ausgangstransistoren 101, 102, 103 und 104 sind in einer H-förmigen Brückenschaltung angeordnet und durch die vom Schaltkreis 91 kommenden Signale D1, D2, D3, D4 gesteuert.

Claims (11)

1. Verfahren zur Speisung eines einphasigen Schrittmotors für ein Uhrwerk, welches angepasst ist, um dem Motor eine Folge von zerhackten Spannungspulsen einer totalen Dauer T&sub6; zu liefern, die variabel in Funktion der Lastverhältnisse und in Funktion der Speisespannung sind, wobei die besagte Pulsfolge mit einer totalen Dauer T&sub6; durch eine erste Folge, mit totaler Dauer T&sub1;, von zerhackten Pulsen gebildet ist, während der das Tastverhältnis der besagten Pulse konstant ist, und eine zweite Folge von Teil-Spannungspulsen, von denen jeder die konstante Dauer T&sub4; und dieselbe Polarität wie jene der Pulse der ersten Folge mit der totalen Dauer T&sub1; hat und die voneinander durch Zeitintervalle T5i getrennt sind, während denen die Spule des Motors kurzgeschlossen wird, wobei der erste Intervall mit der Zeit T5i durch das Ende der ersten Pulsfolge mit der totalen Dauer T&sub1; und durch den diesem Ende folgenden Moment, in dem der Spulenstrom kleiner oder gleich einem Referenzwert Iref ist, bestimmt wird, wobei die anderen Intervalle mit der Zeit T&sub5; durch das Ende eines besagten Pulses mit der Dauer T&sub4; und durch den diesem Ende folgenden Moment, in dem der Spulenstrom kleiner oder gleich dem Referenzwert Iref ist, bestimmt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der besagte Referenzwert Iref und das besagte Tastverhältnis der Pulse der ersten Folge mit der totalen Dauer T&sub1; in Funktion der Höhe der Belastung des Motors angepasst werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die besagte zweite Pulsfolge unterbrochen wird, wenn einer der besagten Zeitintervalle T5i dieser Pulsfolge einen Referenzwert Tref übersteigt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die besagte zweite Puisfolge unterbrochen wird, wenn die Zahl der Teilpulse mit der Dauer T&sub4; dieser Pulsfolge einen maximalen vorbestimmten Wert erreicht.

4. Verfahren nach einem der Anspniche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die besagte zweite Pulsfolge unterbrochen wird, wenn die totale Dauer T&sub6; eine maximale vorbestimmte Dauer Tmax erreicht.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der besagten Höhe der Belastung des Motors durch vergleichen der totalen Dauer T&sub6; der Pulsfolge mit zwei vorbestimmten Dauern Td1 und Td2 erfolgt, die durch die Beziehung

T1 < Td1 < Td2 < Tmax

definiert sind.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Tastverhältnis der ersten Pulsfolge mit der totalen Dauer T&sub1; erhöht wird, wenn die totale Dauer T&sub6; der Puisfolge oberhalb von Td2 ist und erniedrigt wird, wenn die totale Dauer T&sub6; unterhalb von Td1 ist.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Absolutwert des Referenzstromes Iref erhöht wird, wenn die totale Dauer T&sub6; der Pulsfolge oberhalb Td2 ist und erniedrigi wird, wenn die totale Dauer T&sub6; unterhalb von Td1 ist.

8. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert des Referenzstromes Iref durch k I&sub1; bestimmt ist, wobei I&sub1; der Wert des Stromes des letzten Pulses der besagten ersten Puisfolge mit der totalen Dauer T&sub1; und k eine vorbestimmte Konstante ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwei aufeinanderfolgende Folgen von zerhackten Pulsen mit einer totalen Dauer T&sub6; gleiche oder entgegengesetzte Polarität haben.

10. Vorrichtung zum Antreiben eines einphasigen Schrittmotors (M) zum Durchführen des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, enthaltend einen Satz von Schaltern (101, 102, 103, 104), Zeitzählmittel (90), die sich mit einer konstanten Frequenz folgende Hauptperioden T&sub0; bestimmen, auf die Schalter (101, 102, 103, 104) einwirkende Steuermittel (91), um dem Motor (M) während jeder Hauptperiode eine Folge von zerhackten, aus einer Mehrzahl von Teilpulsen geformten Pulsen zu liefern und auf die Dauern T&sub6;, Td1 und Td2 reagierende Vergleichsmittel (93), dadurch gekennzeichnet, dass die Zähimittel (90) zum Definieren der Teildauern T&sub4; und der Dauer T&sub1; eingerichtet sind und einen auf die Höhe des Motorstromes gegenüber dem Referenzwert Iref reagierenden Detektor (94) enthalten, um die variablen Zeitintervalle T5i zu bestimmen, und dass die Vergleichsmittel (93) eingerichtet sind, um das Tastverhältnis der Puisfolge mit der totalen Dauer T&sub1; und den Wert des Referenzstromes Iref zu bestimmen.

11. Mit einer Vorrichtung nach Anspruch 10 ausgerüstetes Uhrwerk.