DE69608210T2 - Verfahren und Kontroll- und Antriebschaltung für einen piezoelektrischen Schrittmotor - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltung zum Anregen und Steuern eines piezoelektrischen Motors. Insbesondere betrifft diese Erfindung ein Verfahren und eine Schaltung zum Anregen und Steuern eines piezoelektrischen Schrittmotors, um die Anregungsfrequenz auf die Resonanz des Motors zu stabilisieren. Ein solcher Motor kann beispielsweise in einer Uhr verwendet werden.
• Im allgemeinen enthält ein piezoelektrischer Motor einen Rotor, der auf einem Stator, der eine Trägerstruktur bildet, die die axiale Auflage und die Drehführung des Rotors sicherstellt, drehbar befestigt ist, siehe beispielsweise das Dokument EP-A-0 580 049. Der piezoelektrische Motor arbeitet bei der Resonanzfrequenz fR des Stators. Eine Anregungsschaltung erzwingt eine Anregungsfrequenz fE, die gleich der Resonanzfrequenz des Stators ist. Jedoch verändern sich diese Frequenzen mit den Umgebungsbedingungen wie etwa der Temperatur und mit dem Altern, d. h. mit der Abnutzung des Motors, jedoch ändern sie sich nicht in gleicher Weise. Tatsächlich ist die Auswirkung der Temperatur auf die Schaltung und somit auf die Anregungsfrequenz größer als die Auswirkung auf den Stator und somit auf die Resonanzfrequenz. Wenn der Unterschied zwischen diesen beiden Frequenzen zu groß wird, verschlechtert sich die Funktion des Motors bis hin zum Aussetzen des Motors. Um sicherzustellen, daß diese Anregungsfrequenz fE gleich der Resonanzfrequenz fR des Motors bleibt, muß deshalb die Anregungsfrequenz fE des an den Motor angelegten Wechselspannungssignals gesteuert werden.
• Es sind Systeme zum Steuern der Resonanzfrequenz eines Motors bekannt, die eine Regelungsschaltung zur kontinuierlichen Stabilisierung der Anregungsfrequenz verwenden. Es handelt sich im allgemeinen um ein PLL-Phasenregelungssystem (PLL = Phase Locked Loop, der in diesem Bereich häufig gebrauchte englische Begriff), um die Phasenverschiebung zwischen der an den Motor angelegten Spannung und dem Strom konstant zu halten. Diese Steuerungssysteme erfordern einen Phasenkomparator und einen spannungsgesteuerten Oszillator. Jedoch wird eine solche Steuerschaltung mit diesen Komponenten selbstverständlich komplex und teuer.
• Eine andere Lösung ist aus dem Dokument EP-A-0 366 496 bekannt, das eine Steuerschaltung für einen piezoelektrischen Motor beschreibt, wobei die Schaltung statt eines Phasenkomparators einen Spannungskomparator sowie einen spannungsgesteuerten Oszillator enthält. Jedoch ist auch hier die Schaltung aufgrund der verwendeten Komponenten teuer und komplex. Zudem verwenden die Systeme des Standes der Technik analoge Größen zur Steuerung der Anregungsfrequenz, was diese fehleranfälliger macht.
• Tatsächlich sind die erwähnten Steuerschaltungen sowie die Verfahren des Standes der Technik komplex, da sie die Anregungsfrequenz sehr genau und kontinuierlich regeln müssen, um sicherzustellen, daß die letztere mit der zum Betreiben des Motors erforderlichen Resonanzfrequenz gleich bleibt. Bei der von dieser Erfindung vorgesehenen Anwendung, d. h. bei der Anwendung, bei der sich der Motor im Schrittbetrieb dreht, sind die Schaltungen des Standes der Technik tatsächlich zu kompliziert und somit zu teuer. In der Tat ist im Fall des Schrittmotors, der sich nicht kontinuierlich dreht, nicht erforderlich, seine Anregungsfrequenz kontinuierlich zu steuern.
• Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lösung der erwähnten Probleme des Standes der Technik zu herbeizuführen, indem sie ein Verfahren und eine Anregungs- und Steuerschaltung für die Anregungsfrequenz bietet, um die letztere auf die Resonanzfrequenz zu regeln, wobei das Verfahren einfach und effizient ist und die Schaltung preiswert und einfach zu verwirklichen ist.
• Dieses Ziel wird kraft der besonderen Merkmale, die das Anregungs- und Steuerungsverfahren nach Anspruch 1 und ebenso die Anregungs- und Steuerschaltung nach Anspruch 7 bietet, verwirklicht.
• Vorteilhaft ermöglichen das Verfahren und die Schaltung gemäß der Erfindung eine Stabilisierung der Anregungsfrequenz mit Hilfe von Digitalsignalen. Zudem ermöglichen das Verfahren und die Schaltung gemäß der Erfindung, aus dem eigentlich einfachen Aufbau des Schrittmotors selbst Nutzen zu ziehen.
• Tatsächlich werden das Verfahren und die Schaltung gemäß der Erfindung verwendet, um einen Motor zu steuern, der sich nicht kontinuierlich dreht, sondern sich vorzugsweise um einen Schritt oder einige Schritte auf einmal dreht und folglich einen externen Befehl abwartet, bevor er den nächsten Schritt ausführt, wobei dieser Schritt eine ganze Umdrehung oder ein Bruchteil einer Umdrehung sein kann. Wenn dieser Motor beispielsweise in einer elektronischen Uhr verwendet wird, um den Sekundenzeiger anzutreiben, wird der Oszillator von der Taktschaltung gesteuert, wobei der Motor sich um eine Schrittweite pro Sekunde dreht. Der Motor läuft korrekt bei seiner Resonanzfrequenz fR. Jedesmal, wenn der Motor einen Schritt ausführt, wird die Dauer t zur Ausführung dieses Schrittes gemessen. Damit der Motor korrekt arbeitet, wird eine Dauer t&sub0;, die einer Grenzdauer entspricht, bestimmt, die die Grenze der korrekten Funktion angibt. Die gemessene Dauer t wird mit diesem Grenzwert t&sub0; verglichen. Wenn die Dauer t die Dauer t&sub0; überschreitet, wird erkannt, daß die Anregungsfrequenz fE nicht mehr der Resonanzfrequenz fR entspricht und diese geregelt werden muß. Wenn der Umgebungseinfluß wie etwa die Temperatur die Resonanzfrequenz fR des Motors nur langsam ändert, reicht es aus, eine neue Anregungsfrequenz fE zu suchen, die in der Nähe der alten liegt, um anschließend zu messen, ob sich der Motor bei dieser neuen Frequenz innerhalb seiner Grenzdauer t&sub0; dreht. Somit ergibt sich durch eine langsame Konvergenz der Frequenz fE zur Resonanzfrequenz fR eine hinreichend genaue Steuerung der Frequenz des Oszillators des Motors, damit der Motor korrekt arbeitet.
• Im folgenden wird ausschließlich beispielhaft eine Ausführungsform des Gegenstands der Erfindung beschrieben, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen wird, worin:
• - Fig. 1 schematisch einen piezoelektrischen Motor und seine Steuerungsmittel zeigt, der durch das Verfahren und durch die Steuerschaltung gemäß der Erfindung gesteuert werden kann,
• - Fig. 2 schematisch die Drehgeschwindigkeit des Motors über der dem Motor aufgezwungenen Frequenz zeigt,
• - Fig. 3 ein Ablaufplan ist, der schematisch die verschiedenen Schritte der Phase der Initialisierung durch das Verfahren und die Schaltung gemäß der Erfindung zeigt,
• - Fig. 4 ein Ablaufplan ist, der schematisch die verschiedenen Schritte der Steuerphase des Verfahrens und der Schaltung gemäß der Erfindung zeigt, und
• - Fig. 5 schematisch ein Beispiel der erfindungsgemäßen Anregungs- und Steuerschaltung zeigt.
• Fig. 1 zeigt schematisch einen piezoelektrischen Motor und seine Steuerungsmittel, wobei der Motor von der erfindungsgemäßen Anregungs- und Steuerschaltung angeregt und gesteuert werden kann.
• Der piezoelektrische Motor M1 enthält einen Rotor R1, der auf einem (in Fig. 1 nicht gezeigten) Stator S1, der eine Trägerstruktur bildet, die die axiale Auflage und die Drehführung des Rotors sicherstellt, drehbar befestigt ist. Der piezoelektrische Motor M1 arbeitet bei der Resonanzfrequenz fR des Stators, der somit zur Resonanz angeregt wird, die einer symmetrischen Vibrationsbewegung in bezug auf die Achse der Scheibe des Stators S1 entspricht. Eine Steuerschaltung 2 des Motors liefert ein alternierendes Signal mit einer Frequenz, die der gewünschten Anregungsfrequenz fE entspricht. Zu diesem Zweck enthält die Steuerschaltung 2 einen programmierbaren Oszillator 17, der so beschaffen ist, daß er die gewünschte Frequenz fE liefert. Es handelt sich hier um einen RC- Oszillator, der mit einem Quarz gekoppelt ist, der die Referenzfrequenz liefert. Dieser Oszillator 17 ist kommutierbar, d. h., daß er von der Steuerschaltung 2 synchronisiert und angehalten werden kann. Der Ausgang des Oszillators 17 regt direkt oder über eine elektrische Leitung 61 und eine Leistungsstufe 3 die piezoelektrischen Elemente des Motors an, um den Stator S1 zum Vibrieren zu bringen und den Rotor R1 in Drehung zu versetzen.
• Es sind Mittel zur Winkelpositionierung (50, 57) vorgesehen, die ein Anhalten der Drehbewegung des Rotors R1 beispielsweise an zwei vorgegebenen, um 180º zueinander versetzten Winkelpositionen ermöglichen. Ein solcher Aufbau wurde in dem Dokument EP-A-0 587 031, auf das der Leser hinsichtlich der Einzelheiten Bezug nehmen kann, genauer beschrieben.
• Tatsächlich enthalten die Positionierungsmittel in diesem Beispiel eine elastische Kontaktzunge 50, die auf einem Träger 52 befestigt und in der Drehebene des Rotors R1 angeordnet ist und die so angepaßt ist, daß sie mit dem Außenumfang 57 des Rotors wenigstens während eines Abschnittes seiner Drehbewegung in seitlichen Kontakt kommt. Der Außenumfang 57 des Rotors R1 weist zu diesem Zweck ein Nockenprofil auf, wie dies in dem bereits zitierten Dokument EP-A-0 587 031 genauer erläutert wird. Die Zunge 50, die aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt ist, bildet mit dem Rotor R1 einen elektromechanischen Unterbrecher, der über eine elektrische Leitung 64 mit der Steuerschaltung 2 verbunden ist. Eine zweite elektrische Leitung 66 verbindet die Schaltung 2 mit Masse, wie dies in dem oben zitierten Dokument EP-A-0 587 031 genauer erläutert wird. Ein Schritt des Motors ist hier durch das Ende des Schrittes und somit durch den Zeitpunkt des Wiederöffnens des Kontaktes definiert. Es ist noch anzumerken, daß die Steuerschaltung 2 mit einer Taktschaltung 4 verbunden ist, die über eine Leitung 62 mit einer bestimmten Frequenz Impulse liefert.
• Um einen einwandfreien Betrieb des Motors sicherzustellen, ist es folglich erforderlich, diesen Motor in der Umgebung seiner Resonanzfrequenz fR anzuregen. Wenn sich die Frequenz fR unter dem Einfluß der thermischen Effekte und aufgrund des Alterns des Motors verändert, ist es erforderlich, die von dem Oszillator 17 erzeugte Anregungsfrequenz fE zu steuern.
• Fig. 2 zeigt die Drehgeschwindigkeit Vm des Motors über der dem Motor aufgezwungenen Anregungsfrequenz fE. Die optimale Frequenz, die eine schnelle Drehung ergibt, liegt bei der Resonanzfrequenz fR des Motors.
• Zu diesem Zweck mißt die Steuerschaltung 2 zuerst die Dauer eines Schrittes des Motors bei der Frequenz fE mit Hilfe des obenerwähnten elektromechanischen Unterbrechers Zunge/Rotor 50, R1. Tatsächlich muß, damit der Motor bei der Frequenz fR korrekt läuft, jedesmal, wenn der Motor einen Schritt ausführt, die Dauer ti zur Ausführung dieses Schrittes innerhalb einer vorgegebenen, noch als zulässig betrachteten Grenzdauer bleiben. Wenn die gemessene ti die Dauer t&sub0; überschreitet, wird erkannt, daß die von dem Oszillator 17 dem Motor aufgezwungene Anregungsfrequenz fE der Frequenz fR nicht mehr genau entspricht und daß diese Frequenz fE folglich modifiziert werden muß. Da der Umgebungseinfluß wie etwa die Temperatur die Resonanzfrequenz fR des Motors und somit die Drehgeschwindigkeit des Motors nur langsam ändert, reicht es aus, eine neue Anregungsfrequenz fE, die in der Nähe der alten liegt wie beispielsweise fE+Δf, zu suchen, um anschließend die neue Dauer ti+1 eines bei dieser neuen Frequenz fE+Δt von dem Motor ausgeführten Schrittes zu messen. Wenn die Dauer ti+1 die Grenzdauer t&sub0; ständig überschreitet, wird eine neue Anregungsfrequenz fE in der anderen Richtung, d. h. fE-Δf, gesucht. Somit führt eine langsame Konvergenz zu einer Regelung der von dem Oszillator 17 dem Motor aufgezwungenen Frequenz fE, die hinreichend genau ist, daß der Motor korrekt arbeitet und sich innerhalb der Grenzdauer t&sub0; dreht.
• Die Arbeitstoleranz des Motors definiert einen Frequenzbereich, der von fR - Δ bis fR + Δ (siehe Fig. 2) geht. Wenn die durch die Herstellung vorgeschriebene Resonanzfrequenz fR beispielsweise 130 kHz beträgt und die Toleranz des Motors Δ beispielsweise ±10 kHz ist, beträgt der Bereich, innerhalb dem der Motor noch arbeiten kann, folglich 20 kHz, geht also von 120 bis 140 kHz. Die Resonanzfrequenz des Motors bestimmt demnach den Frequenzbereich der Operation des Oszillators 17. Wenn sich die Frequenz des Motors geringfügig ändert, muß dadurch, daß eine gewisse Sicherheitsmarge aufgrund der Herstellungstoleranz des Motors berücksichtigt wird, ein Operationsbereich des Oszillators 17 außerhalb des Frequenzbereichs des Motors bestimmt werden. Dieser Operationsbereich des Oszillators 17, der folglich größer als der Arbeitsbereich Δ ist und experimentell festgestellt wird, wird in diesem Beispiel zwischen 100 und 163,5 kHz gewählt. Somit kann die Oszillatortoleranz 8 mit ±31,75 kHz definiert werden.
• Das Verfahren und die Schaltung zum Anregen und Steuern gemäß der Erfindung sind so konzipiert, daß zuerst schnell eine Anregungsfrequenz fE gesucht wird, bei der der Motor arbeiten kann, d. h. bei der der Motor innerhalb der Grenzdauer t&sub0; dreht, um anschließend diese Frequenz fE zu steuern, um kontinuierlich einen korrekten Betrieb sicherzustellen, indem die dem Motor aufgezwungene Frequenz fE geregelt wird, sobald dies erforderlich wird, d. h., sobald die Frequenz fE von der Resonanzfrequenz fR des Motors zu weit weg liegt, was dadurch angezeigt wird, daß die gemessene Dauer t die Grenzdauer t&sub0; überschreitet. Einfacher ausgedrückt, das Verfahren und die Schaltung der Erfindung versuchen, nahe am Maximum der in Fig. 2 gezeigten Kurve zu bleiben, indem die Anregungsfrequenz fE vorzugsweise iterativ modifiziert wird. Vorteilhafterweise ist die erfindungsgemäße Anregungs- und Steuerschaltung ein Teil der Steuerschaltung 2.
• Im folgenden werden das Verfahren und die Funktion der Schaltung anhand der schematischen Ablaufdiagramme der Fig. 3 und 4 erläutert.
• Fig. 3 ist ein Ablaufdiagramm, das die Phase der Initialisierung durch die erfindungsgemäße Schaltung zeigt. Zuerst werden im Schritt 1 die Initialisierungsparameter aus einem Speicher Me, der in der Schaltung 2 enthalten sein kann, in die Steuerschaltung 2, die den programmierbaren Oszillator 17 steuert, ausgelesen. Wie oben erläutert wurde, hängen diese Parameter von der Herstellung des Motors ab und umfassen somit die Resonanzfrequenz fR sowie den Toleranzwert Δ.
• Anschließend kann eine maximale Frequenz fmax des Oszillators 17 bestimmt werden, die gleich fE+δ ist, worin, 8 dem Operationsbereich des Oszillators 17 entspricht, wie dies oben erläutert wurde. Die Frequenz fE entspricht der Nennfrequenz fR des Motors, also 130 kHz. Ebenso kann eine minimale Frequenz fmin bestimmt werden, die gleich fE-δ ist. Die Frequenz fmax wird in Fig. 3 im Schritt 1 festgelegt.
• Die Einstellmittel (15, 16, siehe Fig. 5) der Frequenz des Oszillators 17 dienen zum Festlegen eines Parameters für die Frequenzänderung, falls sich der Motor nicht mehr dreht. Dieser Parameter ist hier mit Delf gekennzeichnet und im voraus beispielsweise zu -2 kHz gewählt. Dieser Parameter definiert die anfängliche Konvergenz für die Suche nach einer Frequenz, bei der der Motor ausreichend wirksam arbeiten kann.
• Das Ablaufdiagramm zeigt außerdem die von dem Verfahren und der Schaltung gemäß der Erfindung auszuführenden Schritte, um den Motor zum Laufen zu bringen. In Antwort auf einen Prüfschritt repräsentiert das Zeichen N "nein", während das Zeichen J "ja" repräsentiert.
• Im Schritt 2 wird der Oszillator 17 bei der Frequenz fE = fmax + Delf, in diesem Beispiel also bei fE = 163,5 - 2 = 161,5 kHz, in Gang gesetzt. Anschließend wird im Schritt 3 diese Frequenz fE mit der Frequenz fmin verglichen, um sicherzustellen, daß der durch seine Herstellung definierte Arbeitsbereich des Motors nicht verlassen wird. Wenn die Frequenz fE kleiner als fmin ist, wird der Motor gestoppt, was durch "STOP" repräsentiert ist, wobei erkannt wird, daß der Motor nicht läuft. In einem solchen Fall kann ein in Fig. 5 durch "ALARM" repräsentiertes Alarmsignal ausgegeben werden, um anzugeben, daß der Motor defekt ist.
• Wenn die Frequenz fE größer gleich der Frequenz fmin ist, wird ein Befehl, um den Motor zum Drehen um einen Schritt zu bringen, ausgegeben, d. h., daß der Oszillator 17 synchronisiert wird, um dem Motor zum Drehen zu bringen, was in Fig. 3 durch den mit "SCHRITT" bezeichneten Schritt 4 wiedergegeben ist. Die Dauer tE zur Ausführung dieses Schrittes wird im Schritt S gemessen. Wenn die Dauer tE größer als die Grenzdauer t&sub0; ist, wird im Schritt 2 die nächste Frequenz fE+1 = fE + Delf bestimmt und für den Oszillator 17 vorgeschrieben. Anschließend werden die Schritte 3 bis 5 bei der neuen Frequenz wiederholt. Wenn umgekehrt die gemessene Dauer tE kleiner gleich der Grenzdauer t&sub0; ist, wird erkannt, daß der Motor korrekt läuft. Die Initialisierungsphase ist somit beendet, was in Fig. 3 durch "END" angezeigt wird. Diese Initialisierungsphase wird vorzugsweise jedesmal ausgeführt, wenn die Anregungs- und Steuerschaltung in Betrieb gesetzt wird wie beispielsweise dann, wenn eine elektrische Versorgungsspannung erneut empfangen wird.
• Nach dieser Initialisierungsphase, die in Wirklichkeit eine Grobregelung der Anregungsfrequenz fE des Oszillators 17 ist, um den Motor zum Laufen zu bringen, wird die Steuerphase durchlaufen, um die Anregungsfrequenz fE des Oszillators 17 zu korrigieren, um trotz des Umgebungseinflusses, der die Reso nanzfrequenz fR des Motors verändert, einen kontinuierlich korrekten Betrieb sicherzustellen.
• In Fig. 4 ist ein Ablaufdiagramm zu sehen, das schematisch die von dem Verfahren und der Schaltung gemäß der Erfindung auszuführenden Schritte zur Durchführung der Feinregelung zeigt.
• Zuerst wird im Schritt 1 der Parameter Delf so modifiziert, daß er kleiner, hier zu -0,5 kHz, gewählt wird, um eine feinere Regelung der Frequenz zu erzielen. Die während der Initialisierung gemessene Dauer tE des ersten Schrittes wird im Schritt 2 in einem Speicher S gespeichert. Der Speicher S kann beispielsweise ein Pufferregister sein, das in Fig. 5 mit 14 bezeichnet ist und weiter unten genauer beschrieben wird. Da es sich hier um einen Motor handelt, der jeweils um einen Schritt dreht, wartet der Oszillator 17 folglich einen externen Befehl ab, bevor er sich synchronisiert, um den nächsten Drehschritt des Motors zu erzeugen, siehe Schritt 3. Sobald dieser externe Befehl empfangen wurde, ändert sich die Frequenz des Oszillators von der Anfangsfrequenz fE auf die neue Frequenz fE+1 = fE + Delf, siehe Schritt 4. Anschließend wird im Schritt S die neue Frequenz fE+1 mit der Frequenz fmax und mit der Frequenz fmin verglichen, um zu prüfen, ob sie nicht außerhalb des Arbeitsbereiches liegt. Wenn der Bereich verlassen wurde, also wenn die Bedingung im Schritt S nicht erfüllt ist - was durch das Bezugszeichen "N"- angegeben ist -, wird die Steuerphase unterbrochen, was in Fig. 4 durch das Wort "STOP" angegeben ist, um den Oszillator 17 während der oben anhand von Fig. 3 beschriebenen Initialisierungsphase erneut auf seine Anregungsfrequenz fE einzustellen. Wenn der Bereich nie verlassen wird, wird der Oszillator 17 auf diese neue Frequenz fE+1 synchronisiert, während der Motor zur Ausführung eines Schrittes in Gang gebracht wird, siehe Schritt 6. Die Dauer dieses Schrittes wird gemessen, wobei diese Dauer tE+1 im Schritt 7 mit der Grenzdauer t&sub0; verglichen wird, um sicher zu sein, daß der Motor korrekt läuft. Wenn die Dauer tE+1 größer als die Grenzdauer t&sub0; ist, wird zum Schritt 9 übergegangen, um den Wert des Parameters Delf zur Suche nach der neuen Frequenz in der anderen Richtung in Analogie zur Arbeitsweise der Schaltung in deren oben erläuterten Initialisierungsphase zu invertieren, worauf die obenbeschriebenen Schritte wiederholt werden, jedoch jetzt mit einer Änderung der Anregungsfrequenz fE+2 in die andere Richtung.
• Wenn umgekehrt die Dauer tE+1 kleiner als t&sub0; ist, wird erkannt, daß der Motor korrekt dreht. Anschließend wird im Schritt 8 die Dauer tE+1 mit der zuvor gemessenen Dauer tE verglichen, um zu bewerten, ob der Motor mit der neuen Frequenz fE+1 wirksamer läuft. Somit kann von dem Verfahren und der Schaltung gemäß der Erfindung durch Konvergenz zur wirklichen Resonanzfrequenz fR eine kontinuierliche Optimierung des Betriebs des Motors durchgeführt werden.
• Fig. 5 zeigt schematisch ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Anregungs- und Steuerschaltung zur Ausführung der oben anhand von Fig. 4 erläuterten Feinregelung.
• Die Schaltung enthält einen D-Flipflop, der an seinem mit CLK bezeichneten Takteingang ein Befehlsimpulssignal "SCHRITT" empfängt, das dem Schritt 6 in Fig. 4 entspricht. Dieser Eingang spricht auf die ansteigende Flanke des Signals "SCHRITT" an. Der Eingang D liegt stets auf Logikpegel "1", d. h. auf Hochpegel. Der Ausgang Q des D-Flipflops 11 ist mit den Eingängen CLR eines Teilers 12 und eines 7-Bit-Zählers 13 verbunden. Dieser Ausgang Q ist ferner mit den mit CLK bezeichneten Takteingängen eines Pufferregisters 14 verbunden, das auf die abfallende Flanke anspricht, eines JK-Flipflops 15, das ebenfalls auf die abfallende Flanke anspricht, eines Vorwärts-Rückwärts-Zählers 16, der auf die ansteigende Flanke anspricht, und außerdem mit einem mit "ENABLE" bezeichneten Freigabeeingang des programmierbaren Oszillators 17 verbunden. Wie oben bereits erwähnt wurde, bilden das Flipflop 15 und der Vorwärts-Rückwärts-Zähler 16 zusammen die Mittel zum Einstellen der Anregungsfrequenz fE des Oszillators 17.
• Der Zähler 13 mißt und vergleicht die Dauer tE des beim Grenzwert t&sub0; auszuführenden Schrittes. Das Register 14 entspricht somit dem im Schritt 2 in Fig. 4 beschriebenen Speicher S. Der neue Wert des Zählers 13, der der Dauer tE+1 entspricht, wird folglich zum alten Wert tE, siehe Schritt 3 in Fig. 4. Der Teiler 12 empfängt seine Impulse mit einer Frequenz von 1024 Hz von der Taktschaltung 4 über eine elektrische Leitung 62 (siehe Fig. 1) an den Takteingang CLK. Der Teiler 12 arbeitet als Teiler durch 2³ und gibt an seinem Ausgang Q2 ein Impulssignal mit 128 Hz aus. Dieser Ausgang ist mit dem Takteingang CLK des Zählers 13 verbunden.
• Der Zähler 13 hat einen ersten Ausgang "OVER", der ein mit "ALARM" bezeichnetes Alarmsignal ausgibt, das dem Befehl "STOP" des Schrittes 3 in Fig. 3 entspricht, wenn der Zähler überläuft, d. h., wenn die Dauer tE zur Ausführung eines Schrittes die vorgegebene Grenzdauer t&sub0; überschreitet. Der mit Q0-Q6 bezeichnete andere Ausgang des Zählers 13, der einem 7-Bit-Wert des Zählers und somit der Dauer eines Schrittes entspricht, ist mit dem Einfang D0-D6 des Pufferregisters 14 und außerdem mit dem Eingang A0-A6 eines Komparators 18 verbunden. Der Ausgang Q0-Q6 des Registers 14 ist mit einem mit B0-B6 bezeichneten zweiten Eingang des Komparators 18 verbunden. Der Ausgang A> B des Komparators 18 gibt das Ergebnis des Vergleichs zwischen den von dem Zähler 13 und dem Register 14 gelieferten 7-Bit-Werten aus, was dem Schritt 8 in Fig. 4 entspricht. Dieser Ausgang ist mit den Eingängen J und K des JK-Flipflops 15 verbunden. Der Ausgang Q des JK-Flipflops 15 mit dem U/D-Eingang des Vorwärts-Rückwärts-Zählers 16 verbunden. Der Wert des Zählers wird folglich inkrementiert oder dekrementiert. Der Ausgang Q0-Q6 des Vorwärts-Rückwärts- Zählers 16, der folglich dem 7-Bit-Wert entspricht, ist direkt mit dem Eingang D0- D6 des Oszillators 17 verbunden: Der Ausgang Fout des Oszillators 17 besitzt die Frequenz fE, die dem Motor durch den programmierbaren Oszillator aufgezwungen wird. Somit kann der Oszillator 17 eine regelbare Frequenz liefern.
• Das D-Flipflop 11 besitzt einen weiteren Eingang , der ein Ausgangssignal von einem UND-Gatter 20 mit zwei Eingängen empfängt. Ein erster Eingang des Gatters 20 empfängt ein mit bezeichnetes Signal zum Rücksetzen auf null, das durch einen externen Controller befohlen wird. Das, -Signal zum Rücksetzen auf null kann außerdem an jeweils einen Eingang zum Rücksetzen auf null des Vorwärts-Rückwärts-Zählers 16 und des Oszillators 17 geliefert werden. Der zweite Eingang des Gatters 20 ist mit dem Ausgang "OUT" einer Begrenzungsschaltung 19 verbunden. Die Begrenzungsschaltung 19 empfängt an ihrem mit CLK bezeichneten Takteingang außerdem das Taktsignal von 1024 Hz, das mit seiner abfallenden Flanke anspricht. Diese Begrenzungsschaltung 19 spricht auf den von dem piezoelektrischen Motor hergestellten Kontakt an, wenn dieser einen Schritt ausführt. Der Kontaktimpuls kommt über die elektrische Leitung 64 von den Mitteln zur Winkelpositionierung (50, 57), wie dies weiter oben anhand von Fig. 1 erläutert wurde. Der Ausgang "OUT" der Begrenzungsschaltung 19 sendet mit dem Öffnen des Kontaktes zur Erfassung der Drehbewegung des Motors einen kurzen negativen Impuls. Dieser Impuls unterbricht die Drehbewegung des Motors durch ein mit "ROTATE" bezeichnetes Befehlssignal.
• Kurz gesagt, nach "RESET", dem Rücksetzen auf null, von dem externen Controller wird der Motor zur Ausführung eines Schrittes angesteuert. Der Impuls "SCHRITT" gibt den Teiler 12 sowie den Zähler 13 frei. Das JK-Flipflop 15 inkre mentiert oder dekrementiert den Vorwärts-Rückwärts-Zähler 16, je nach Ergebnis des von dem Komparator 16 ausgeführten Vergleichs. Folglich wird die Frequenz des Oszillators 17 bestimmt, wobei dieser letztere aktiviert wird, um den Motor zum Drehen zu bringen, indem über die elektrische Leitung 61 (siehe ebenfalls Fig. 1) ein Impuls ausgegeben wird.
• Durch das Verfahren und die Schaltung zum Anregen und Steuern, die eben beschrieben wurden, wird die Frequenz fE des Oszillators 17 iterativ optimiert, wobei diese nahe an der Resonanzfrequenz fR des Motors bleibt, so daß der Betrieb des Motors sehr effizient ist. Obwohl oben eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens und der Schaltung zum Anregen und Steuern gemäß der Erfindung beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf diese spezifische Ausführungsform, die lediglich als ein die Erfindung nicht beschränkendes Beispiel angegeben wurde, eingeschränkt.

Claims (10)

1. Verfahren zum Anregen und Steuern eines piezoelektrischen Schrittmotors (M1), der eine Resonanzfrequenz (fR) besitzt und während jedes Arbeitsschrittes mit einer Anregungsfrequenz (fE) elektrisch gespeist wird, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß es eine Steuerphase umfaßt, die sich wenigstens über mehrere aufeinanderfolgende Schritte des Motors erstreckt und in der für einen momentanen Schritt des Motors ein bestimmter Wert der Anregungsfrequenz (fE+1) verwendet wird, die Dauer (tE+1) des momentanen Schrittes gemessen wird, die Dauer (tE+1) mit der Dauer (tE) des vorhergehenden Schrittes verglichen wird und je nach Ergebnis dieses Vergleichs der Wert der Anregungsfrequenz (fE+2) für den folgenden Schritt in einer Richtung korrigiert wird, daß die Schrittdauer reduziert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektur darin besteht, dem Wert der Anregungsfrequenz (fE+1) ein vorgegebenes Inkrement (Delf), das positiv oder negativ sein kann, hinzuzufügen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorzeichen des Inkrements (Delf) geändert wird, wenn der Vergleich angibt, daß die Dauer (tE+1) des momentanen Schrittes größer als jene (tE) des vorhergehenden Schrittes ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Inkrement ein negativer Wert gegeben wird, wenn für einen Anfangsschritt der Steuerphase der bestimmte Wert der Anregungsfrequenz (fE+1) größer als die Resonanzfrequenz (fR) ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es vor der Steuerphase eine Initialisierungsphase umfaßt, die sich über mehrere aufeinanderfolgende Schritte des Motors erstreckt und in der der bestimmte Wert der Anregungsfrequenz definiert wird, der am Beginn der Steuerphase zu verwenden ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Initialisierungsphase ein Anregungsfrequenzbereich zwischen zwei Grenzwerten (fmin, fmax) betrachtet wird, daß ein erster der Grenzwerte der Anregungsfrequenz (fE) verwendet wird, um einen ersten Schritt des Motors zu erzeugen, daß die Dauer (tE) dieses Schrittes gemessen wird und daß, falls sie kleiner als eine maximale Grenzdauer (t&sub0;) ist, zur Steuerphase übergegangen wird, während andernfalls die Anregungsfrequenz (fE) in Richtung zum anderen Grenzwert korrigiert wird und die so korrigierte Anregungsfrequenz (fE+1) verwendet wird, um einen zweiten Schritt des Motors zu erzeugen, usw., bis die Schrittdauer (tE+1) kleiner als die maximale Grenzdauer (t&sub0;) ist.

7. Schaltung zum Anregen und Steuern eines piezoelektrischen Schrittmotors (M1), die für die Ausführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche geeignet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung umfaßt:

- einen programmierbaren Oszillator (17), der so beschaffen ist, daß er ein Signal mit einstellbarer Frequenz (fE) an eine Versorgungsschaltung (3) des Motors (M1) liefert,

- Mittel (13, 14) zum Messen und Speichern der Dauer (tE+1) eines Schrittes des Motors,

- Mittel (18) zum Vergleichen der Dauer (tE+1) mit der Dauer (tE) eines vorhergehenden Schrittes und/oder mit einer vorgegebenen Grenzdauer (t&sub0;) und

- Einstellmittel (15, 16), die auf den programmierbaren Oszillator (17) als Antwort auf die Vergleichsmittel (18) einwirken, um das Signal mit einstellbarer Frequenz (fE) zu modifizieren.

8. Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellmittel (15, 16) so beschaffen sind, daß sie das Signal mit einstellbarer Frequenz (fE) durch Inkrementieren modifizieren.

9. Schaltung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (13, 14) zum Messen und Speichern einen Zähler (13) umfassen, dem ein Signalspeicherregister (14) zugeordnet ist.

10. Schaltung nach einem der Ansprüche 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung außerdem Mittel (11) enthält zum Steuern des Betriebs der Mittel (13, 14) zum Messen und Speichern infolge des Empfangs eines Impulses, der von Erfassungsmitteln (50, 57) des Motors erzeugt wird, wenn dieser letztere einen Schritt ausgeführt hat.