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Hintergrund
der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich allgemein auf Motoren und insbesondere auf einen Gleichstrommotor
(DC-Motor) mit zumindest einer asymmetrischen Wicklung, der ein
zeitveränderliches
Signal für
eine geschlossene Rückkopplungsregelung
erzeugt.
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Motorsteuersysteme können in
einer Vielzahl von Anwendungen verwendet werden, beispielsweise
einschließlich
Computern, Druckmechanismen, Videokassettenrekordern (VCRs), Automobilen
und Stereoanlagen. Diese Anwendungen umfassen VCR-Kopfmotoren, Spindelmotoren
für flexible
Computerdisketten, Spindelmotoren für Compact-Disks, Bandlaufwerksabzugsrollen
für Bandlaufwerke
und Automobilsitzpositionierungsmotoren. Motorsteuersysteme können bei
Druckmechanismen für
solche Dinge wie ein Bewegen des Druckwagens, ein Bewegen der Druckmedien
und ein Bewegen von Elementen der Tintenstrahldruckkopfwartungsstation verwendet
werden.
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Sowohl Schrittmotoren als auch Gleichstrommotoren
können
bei derartigen Motorsteuersystemen verwendet werden. Schrittmotoren
werden in der Regel bei einer Konfiguration mit offenem Regelkreis
verwendet, bei der der Schrittmotor ein Befehlssignal empfängt, das
bewirkt, daß sich
eine Welle des Schrittmotors eine vorbestimmte Anzahl von Graden
in einer vorbestimmten Richtung dreht. Das Befehlssignal kann in
Form eines oder mehrerer Pulse von einem Mikroprozessor vorliegen,
der programmiert ist, um den einen oder die mehreren Pulse zu erzeugen,
um die Welle des Schrittmotors die vorbestimmte Anzahl von Graden
in der vorbestimmten Rich tung zu drehen, um eine festgelegte Funktion
(z. B. Betätigen
einer Wartungsstation, um einen Tintenstrahldruckkopf zu verschließen) zu
erfüllen.
Die Polarität
und/oder Phaseneinstellung vieler Signale kann verwendet werden,
um die Richtung der Schrittmotorwellendrehung zu steuern. Das offene
System ist ferner in der Lage, die Position der Schrittmotorwelle
nachzuverfolgen, indem beispielsweise die anfängliche Wellenposition beobachtet
wird und die Anzahl von Pulsen, die bereits übermittelt wurden, gezählt wird.
Das offene Schrittmotorsteuersystem liefert eine genaue Motorsteuerung
und -positionierung von gesteuerten Vorrichtungen.
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Gleichstrommotoren können entweder
in einer Konfiguration mit offenem Regelkreis oder in einer Konfiguration
mit geschlossenem Regelkreis verwendet werden. Bei einer Konfiguration
mit offenem Regelkreis dreht sich eine Welle eines Gleichstrommotors
so lange, wie ein Gleichspannungssteuersignal angelegt ist, und
einen gewissen Zeitraum, nachdem das Signal entfernt ist, bis die
Trägheit
der sich drehenden Welle gedämpft
wird. Die Drehungsrichtung der Welle des Gleichstrommotors wird
durch die Polarität
des Steuersignals gesteuert. Bei derartigen offenen Gleichstrommotorsteuersystemen
ist eine genaue Motorsteuerung und positionierung von gesteuerten
Vorrichtungen schwierig, da sich die Welle nicht jedesmal, wenn
ein Steuersignal angelegt wird, in einem vorbestimmten Ausmaß dreht,
wie bei Schrittmotoren. Jedoch besteht ein Vorteil von Steuersystemen,
die Gleichstrommotoren verwendet, darin, daß ein Gleichstrommotor-basiertes
Steuersystem Leistung effizienter nutzt und somit im Betrieb kostengünstiger
ist als ein Schrittmotor mit offenem Regelkreis, da Leistung nicht
unterbrochen wird, um die Gleichstrommotorwelle zu drehen, wie bei
einem Schrittmotor. Gleichstrommotoren sind überdies derzeit kostengünstiger
als Schrittmotoren.
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Es wurden bereits verschiedene Lösungen angeboten,
um dieses Positionierungsproblem anzugehen, einschließlich der Verwendung
von Anschlägen
und der Verwendung eines geschlossenen Gleichstrommotorsteuersystems.
Anschläge
sind feststehende Strukturen, die in den Pfad einer gesteuerten
Vorrichtung plaziert werden und die eine weitere Bewegung der Vorrichtung
in einer bestimmten Richtung verhindern. Geschlossene Gleichstrommotorsteuersysteme
verwenden eine Rückkopplungsvorrichtung
wie beispielsweise einen Codierer, einen Schalter oder ein Tachometer,
um die tatsächliche
Position einer Welle des Gleichstrommotors oder der gesteuerten
Vorrichtung nachzuverfolgen. Die tatsächliche Position wird rückgekoppelt
und mit der gewünschten
Position verglichen. Ein etwaiger Unterschied zwischen den beiden
wird korrigiert, indem ein weiteres Signal an den Motor gesendet
wird, um die Welle zu drehen, bis sie die gesteuerte Vorrichtung
ordnungsgemäß positioniert.
Dieser Entwurf liefert eine genaue Motorsteuerung und -positionierung
von gesteuerten Vorrichtungen, die im Vergleich zu offenen Schrittmotorsteuersystemen
günstig
abschneidet. Ein Nachteil derartiger geschlossener Systeme besteht
darin, daß diese
Rückkopplungsvorrichtungen
teuer sind. Dieser zusätzliche
Kostenfaktor kann dazu führen,
daß die
Kosten dieses geschlossenen Gleichstrommotorsteuersystems nahe an
die eines offenen Schrittmotorsteuersystems herankommen oder dieselben übersteigen.
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Unter Bezugnahme auf die folgenden
Zeichnungen wird nun ein Ausführungsbeispiel
eines bekannten Tintenstrahldruckmechanismus beschrieben:
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1 ist
eine teilweise schematische, perspektivische Teilansicht eines Tintenstrahldruckmechanismus,
der eine Wartungsstation umfaßt,
die über
ein Schrittmotorsteuersystem translatorisch bewegbar ist;
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2 ist
eine perspektivische Teilansicht einer Form einer Wartungsstation
der 1;
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3 ist
eine perspektivische Teilansicht der Wartungsstation der 2, die durch ein geschlossenes
Gleichstrommotorsteuersystem gesteuert wird;
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4A–4E sind schematische Teilansichten des
Betriebs eines Gleichstrommotors, wie er im Stand der Technik bekannt
ist; und
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5 ist
ein Graph eines Strom gegenüber der
Zeit für
den in 4A–4E gezeigten
Betrieb des Gleichstrommotors.
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Unter Bezugnahme auf 1 ist ein bekanntes Ausführungsbeispiel
eines Tintenstrahldruckmechanismus, hier als Tintenstrahldrucker 20 gezeigt, veranschaulicht,
der zum Drucken von Geschäftsberichten,
Korrespondenz, Desktop-Publishing
und dergleichen in einer industriellen, Büro-, privaten oder anderen
Umgebung verwendet werden kann.
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Während
es offensichtlich ist, daß die
Druckerkomponenten von Modell zu Modell variieren können, umfaßt der typische
Tintenstrahldrucker 20 ein Chassis 22, das von
einem Gehäuse
oder einer Verkleidungsumhüllung 24,
die in der Regel aus einem Kunststoffmaterial besteht, umgeben ist.
Blätter eines
Druckmediums werden anhand eines adaptiven Druckmedienhandhabungssystems 26 durch eine
Druckzone 25 zugeführt.
Das Druckmedium kann ein beliebiger Typ eines geeigneten Blattmaterials
sein, beispielsweise Papier, Kartenvorrat, Transparente, Mylar und
dergleichen, der Zweckmäßigkeit halber
verwendet das veranschaulichte Ausführungsbeispiel in der Beschreibung
jedoch Papier als Druckmedium. Das Druckmedienhandhabungssystem 26 weist
ein Zuführfach 28 zum
Speichern von Blättern
Papier vor dem Drucken auf. Es können
eine Reihe von herkömmlichen
motorbetriebenen Papierantriebsrollen (nicht gezeigt) verwendet
werden, um das Druckmedium von dem Fach 28 zum Drucken
in die Druckzone 25 zu bewegen. Nach dem Drucken landet
das Blatt dann auf ei nem Paar von einziehbaren Ausgabetrocknungsflügelbaugliedern 30.
Die Flügel 30 halten
das neu gedruckte Blatt kurzzeitig über etwaigen zuvor gedruckten
Blättern,
die in einem Ausgabefachabschnitt 32 immer noch trocknen, bevor
sie schwenkbar zu den Seiten eingezogen werden, wie durch gekrümmte Pfeile 33 gezeigt
ist, um das neu gedruckte Blatt in das Ausgabefach 32 fallenzulassen.
Das Medienhandhabungssystem 26 kann eine Reihe von Anpaßmechanismen
zum Berücksichtigen
unterschiedlicher Größen von
Druckmedien, beispielsweise Letter, Legal, A4, Umschläge usw.,
sowie einen Längenanpaßschiebehebel 34 und einen
Umschlagszuführschlitz 35 umfassen.
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Der Drucker 20 weist ferner
eine Druckersteuerung auf, die schematisch als Mikroprozessor 36 veranschaulicht
ist und Anweisungen von einer Hostvorrichtung, in der Regel einem
Computer, beispielsweise einem Personal-Computer (nicht gezeigt),
empfängt.
Tatsächlich
können
viele der Druckersteuerungsfunktionen durch den Hostcomputer, durch
die Elektronik, die in den Drucker eingebaut ist, oder durch Interaktionen
zwischen denselben ausgeführt
werden. Ein mit dem Computerhost gekoppelter Monitor kann verwendet
werden, um einer Bedienperson visuelle Informationen anzuzeigen,
beispielsweise den Druckerstatus oder ein bestimmtes Programm, das
an dem Hostcomputer läuft.
Personal-Computer, ihre Eingabevorrichtungen, beispielsweise eine
Tastatur- und/oder
eine Mausvorrichtung, sowie Monitore sind Fachleuten hinreichend
bekannt.
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Durch das Chassis 22 wird
eine Wagenführungsstange 38 gestützt, um
einen Tintenstrahlwagen 40 für eine Hin- und Herbewegung über die Druckzone 25 entlang
einer Bewegungsachse 42, die durch die Führungsstange 38 definiert
ist, schiebbar zu stützen.
Ein herkömmliches
Wagenantriebssystem kann verwendet werden, um den Wagen 40 anzutreiben,
wobei das Wagenantriebssystem ein Positionsrückkopplungssystem umfaßt, das
Wagenpositionssignale an die Steuerung 36 kommuniziert. Beispielsweise
können
ein Wagenantriebszahnrad und eine Gleichstrommotoranordnung gekoppelt sein,
um einen Endlosriemen, der auf herkömmliche Weise an dem Wagen 40 befestigt
ist, anzutreiben, wobei der Motor ansprechend auf Steuersignale,
die von der Druckersteuerung 36 empfangen werden, arbeitet.
Um der Druckersteuerung 36 Wagenpositionsrückkopplungsinformationen
zu liefern, kann an dem Wagen 40 ein optischer Codierleser
angebracht sein, um einen Codierstreifen, der sich entlang des Wegs der
Wagenbewegung erstreckt, zu lesen.
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Der Wagen 40 wird ferner
entlang der Führungsstange 38 in
eine Wartungsregion, die allgemein durch einen Pfeil 44 angegeben
und im Inneren der Verkleidung 24 befindlich ist, angetrieben.
Die Wartungsregion 44 beherbergt eine Wartungsstation 45,
die verschiedene herkömmliche
Druckkopfwartungsfunktionen bereitstellen kann. Beispielsweise hält ein Wartungsstationsrahmen 46 eine
Gruppe von Druckkopfwartungsgeräten,
die nachstehend ausführlicher
beschrieben werden. In 1 wird
ein Auswurfabschnitt 48 der Wartungsstation als zumindest teilweise
durch den Wartungsstationsrahmen 46 definiert gezeigt.
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In der Druckzone 25 empfängt das
Medienblatt Tinte von einer Tintenstrahlkassette, beispielsweise
einer Schwarztintenkassette 50 und/oder einer Farbtintenkassette 52.
Die Kassetten 50 und 52 werden durch Fachleute
oft als „Stifte" bezeichnet. Der veranschaulichte
Farbstift 52 ist ein dreifarbiger Stift, obwohl bei manchen
Ausführungsbeispielen
auch ein Satz von diskreten monochromen Stiften verwendet werden
kann.
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Die veranschaulichten Stifte 50, 52 umfassen
jeweils Reservoire zum Speichern eines Vorrats an Tinte. Die Stifte 50, 52 weisen
Druckköpfe 54 bzw. 56 auf,
von denen jeder eine öffnungsplatte
mit einer Mehrzahl von Düsen
aufweist, die auf eine Weise, die Fachleuten hinreichend bekannt
ist, durch dieselbe gebildet sind. Die veranschaulichten Druckköpfe 54, 56 sind
Thermotintenstrahldruckköpfe,
obwohl auch andere Arten von Druckköpfen, beispielsweise piezoelektrische
Druckköpfe,
verwendet werden können. Die
Druckköpfe 54, 56 umfassen
in der Regel eine Substratschicht, die eine Mehrzahl von Widerständen aufweist,
die den Düsen
zugeordnet sind. Auf ein Versorgen eines ausgewählten Widerstands mit Energie
hin wird eine Gasblase gebildet, um ein Tintentröpfchen aus der Düse auf ein
Medium in der Druckzone 25 auszustoßen. Die Druckkopfwiderstände werden
ansprechend auf ein Freigeben oder Abfeuern von Befehlssteuersignalen,
die anhand eines herkömmlichen
Mehrfachleiterstreifens (nicht gezeigt) von der Steuerung 36 an
den Druckkopfwagen 40 und durch herkömmliche Verbindungen zwischen dem
Wagen und den Stiften 50, 52 an die Druckköpfe 54, 56 geliefert
werden können,
selektiv mit Energie versorgt.
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2 veranschaulicht
ein Ausführungsbeispiel
eines translatorischen Wartungsstationssystems 58. Hier
umfaßt
der Wartungsstationsrahmen 46 ein Basisbauglied 60,
das beispielsweise unter Verwendung eines Schnappverschlusses, einer
Niete, einer Schraube oder einer anderen Befestigungsvorrichtung,
die durch ein geschlitztes Loch (nicht gezeigt), das durch einen
vorderen Abschnitt der Basis 60 definiert ist, eingeführt wird,
an dem Druckerchassis 22 befestigt sein kann. Um den Grad
der Erhöhung
der Druckkopfwartungskomponenten anzupassen, kann ein (nicht gezeigter)
Anpaßmechanismus verwendet
werden, um den Rahmen in Eingriff zu nehmen, beispielsweise durch
Verwendung eines Paars von Vorsprüngen 62, die sich
von jeder Seite der Rahmenbasis 60 nach außen erstrecken.
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Das Chassis 22, oder, stärker bevorzugt,
das Äußere der
Basis 60, kann verwendet werden, um einen herkömmlichen
Wartungsstationsantriebsmotor, beispielsweise einen Schrittmotor 64,
zu stützen. Vorzugsweise
weist der Schrittmotor 64 obere und untere Anbringpunkte
auf, wobei die obere Anbringung beispielsweise durch eine Halterung 66,
die sich in die Basis 60 erstreckt, an der Rahmenbasis 60 befestigt
ist. Die Basis 60 kann ferner eine Erhebung oder eine ande re
Halterungsaufnahmestruktur aufweisen, die sich hier von der Seite
nach außen
erstreckt, um eine Halterung 68, die die untere Motoranbringung
an der Basis 60 befestigt, aufzunehmen. Der Schrittmotor 64 ist
wirksam in Eingriff genommen, um unter Verwendung eines oder mehrerer Untersetzungsgetriebe(s),
Riemen oder anderer Antriebseinrichtungen, die Fachleuten bekannt
sind, ein erstes Übertragungszahnrad 70 anzutreiben,
wobei hier ein Antrieb eines zweiten Übertragungszahnrads 72 gezeigt
ist. Sowohl das erste als auch das zweite Übertragungszahnrad 70, 72 sind
vorzugsweise an Vorsprüngen
angebracht, die sich von der Seite der Basis 60 erstrecken.
Das Übertragungszahnrad 72 nimmt
eines eines Paars von Antriebszahnrädern 74 einer Spindelritzelantriebsgetriebeanordnung
(nicht gezeigt) in Eingriff. Das Paar von Antriebszahnrädern 74 befindet
sich entlang gegenüberliegender
Seiten des Wartungsstationsrahmens und ist durch eine (nicht gezeigte)
Achse miteinander gekoppelt. Der Schrittmotor 64 und diese
Zahnräder
arbeiten, um einen Werkstückträger 76 translatorisch
in die durch den doppelköpfigen
Pfeil 78 angegebenen Richtungen zu bewegen.
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Der Werkstückträger 76 wird in die
durch den doppelköpfigen
Pfeil 78 angegebenen Richtungen verschoben, um die Druckköpfe 54 und 56 der
Stifte 50 und 52 periodisch zu warten. Dieses
Warten umfaßt
Dinge wie beispielsweise ein Abwischen überschüssiger Tinte von den Druckköpfen 54 und 56 über flexible
Wartungsstationswischvorrichtungen 80, 82, 84, 86, 88 und 90 sowie
ein Verschließen
der Druckköpfe 54 und 56 über Verschlußkappen 92 und 94,
um zu verhindern zu helfen, daß die
Stifte 50 und 52 austrocknen und durch Verunreinigungen
verschmutzt werden.
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Schrittmotoren, wie der Schrittmotor 64,
werden in der Regel in einer Konfiguration mit offenem Regelkreis
verwendet, bei der der Schrittmotor ein Befehlssignal, beispielsweise
von einem Mikroprozessor oder einer Steuerung wie beispielsweise
der Steuerung 36, empfängt,
das bewirkt, daß sich
eine Welle des Schrittmotors eine vorbestimmte Anzahl von Graden
in einer vorbestimmten Richtung dreht. Das Befehlssignal kann in
Form eines oder mehrerer Pulse von einem Mikroprozessor oder einer
Steuerung vorliegen, der bzw. die programmiert ist, um den einen
oder die mehreren Pulse zu erzeugen, um die Welle des Schrittmotors
für die
vorbestimmte Anzahl von Graden in der vorbestimmten Richtung zu
drehen, um eine festgelegte Funktion zu erfüllen (z. B. Betätigen einer
Wartungsstation, um einen Tintenstrahldruckkopf zu verschließen). Die
Polarität und/oder
Phaseneinstellung vieler Signale kann verwendet werden, um die Richtung
der Schrittmotorwellendrehung zu steuern. Das offene System ist
ferner in der Lage, die Position der Schrittmotorwelle beispielsweise
durch ein Beobachten der anfänglichen
Wellenposition und ein Zählen
der Anzahl von bereits gesendeten Pulsen nachzuverfolgen. Das offene
Schrittmotorsteuersystem liefert eine genaue Motorsteuerung und
-positionierung von gesteuerten Vorrichtungen.
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Ein Übergangswartungsstationssystem 96 ist
in 3 gezeigt. Elemente
des Systems 96, die dieselben sind wie diejenigen des Systems 58,
sind durch dieselben Bezugszeichen identifiziert. Das System 96 wird über einen
gemäß der vorliegenden Erfindung
aufgebauten Gleichstrommotor 100 und nicht über einen
Schrittmotor, wie den Motor 64 der 2, betätigt. Eine Klemme 102 und
ein Paar von Halterungen, von denen eine durch das Bezugszeichen 103 gezeigt
ist, befestigen den Motor 100 an der Basis 60.
Ein durch eine Welle 106 des Motors 102 getriebener
Schneckenantrieb 104 steht in Eingriff mit dem Zahnrad 74,
um den Werkstückträger 76 in
die durch den doppelköpfigen
Pfeil 78 angegebenen Richtungen zu verschieben. Der Motor 100 wird durch
eine Gleichspannung mit Leistung versorgt, um die Welle 106 entweder
in einer im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn verlaufenden
Richtung kontinuierlich zu drehen, solange diese Spannung angelegt
ist. Die Richtung einer derartigen Drehung wird durch die Polarität der angelegten
Gleichspannung gesteuert.
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4A–4E sind schematische Teilansichten des
Betriebs eines Gleichstrommotors 107, wie er in der Technik
bekannt ist. Der Gleichstrommotor 107 umfaßt einen
Anker 108 und ein Paar von Bürsten 110, 112, über die
eine Gleichspannung angelegt ist. Der Anker 108 umfaßt in der
Darstellung einen Kommutator 114, der fünf Schlitze 116, 118, 120, 122 und 124 aufweist
und auf dem fünf
Wicklungen 126, 128, 130, 132 und 134 gewickelt
sind. Falls über
die Bürsten 110 und 112 eine
Gleichspannung oder effektive (RMS) Gleichspannung angelegt ist,
wie in 4A–4E gezeigt
ist, fließt
ein positiver Strom von der Bürste 110 über manche
der oder alle Wicklungen 126, 128, 130, 132 und 134 zu
der Bürste 112, was
bewirkt, daß sich
der Kommutator 114 in einer im Uhrzeigersinn verlaufenden
Richtung dreht, wie allgemein durch einen Pfeil 135 in 4A–4E angegeben ist. Unter Bezugnahme auf 4A kann man sehen, daß in dieser Position des Kommutators 114 ein Strom
durch die Wicklungen 126 und 128 fließt, wie allgemein
durch Strompfeile 136 und 138 angegeben ist, und
durch Wicklungen 130 und 132 fließt, wie
allgemein durch Strompfeile 140 und 142 angegeben ist.
Aufgrund des Kurzschlusses, der durch den Schlitz 124,
der sich unter der Bürste 110 befindet, bewirkt
wird, fließt
jedoch kein Strom durch die Wicklung 134. Unter Bezugnahme
auf 4B hat sich der Kommutator 114 in
ausreichendem Maße
im Uhrzeigersinn zu der gezeigten Position gedreht, so daß in jeder
Wicklung des Ankers 108, einschließlich der Wicklung 134,
Strom fließt,
wie allgemein durch den Strompfeil 144 angegeben ist, da
sich der Schlitz 124 nicht mehr unter der Bürste 110 befindet.
Eine weitere Drehung des Kommutators 114 in der im Uhrzeigersinn
verlaufenden Richtung ist in 4C gezeigt. An
diesem Punkt wird die Wicklung 128 kurzgeschlossen, so
daß kein
Strom durch dieselbe fließt, da
sich der Schlitz 118 unter der Bürste 112 befindet. Wie
gezeigt ist, fließt
Strom durch die anderen Wicklungen des Ankers 108. Unter
Bezugnahme auf 4D hat sich der Kommutator 114 im
Uhrzeigersinn weitergedreht, so daß durch alle fünf Wicklungen
des Ankers 108 Strom fließt, wie gezeigt ist, einschließlich der
Wicklung 128, wie durch den Strompfeil 138 angegeben
ist, da sich der Schlitz 118 nicht mehr unter der Bürste 112 befindet.
Eine weitere im Uhrzeigersinn verlaufende Drehung des Kommutators 114 ist
in 4E dargestellt. In dieser Situation wird
die Wicklung 132 kurzgeschlossen, da sich der Schlitz 122 unter
der Bürste 110 befindet.
Wie gezeigt ist, fließt
Strom durch die anderen Wicklungen des Ankers 108.
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5 zeigt
einen Graphen 146 des Stroms gegenüber der Zeit für den in 4A–4E gezeigten Gleichstrommotorbetrieb. Wie
in 5 zu sehen ist, schwankt
die Größe des Stroms
während
der Drehung des Kommutators 114 periodisch zwischen zwei
Werten. Die größere Größe ist in 5 mit „2-2" angegeben, und die kleinere Größe ist in 5 mit „3-2" angegeben. Die „2-2" gibt den Wert des gesamten Stroms an,
der von der Bürste 110 zu
der Bürste 112 fließt, wenn
ein Strom durch zwei Wicklungen über
den Bürsten 110 und 112 und
zwei Wicklungen unter den Bürsten 110 und 112 in 4A, C und E fließt. „3-2" gibt den Wert des
gesamten Stroms an, der von der Bürste 110 zu der Bürste 112 fließt, wenn ein
Strom durch drei Wicklungen über
den Bürsten 110 und 112 und
zwei Wicklungen unter den Bürsten 110 und 112 in 4B, und drei Wicklungen unter den Bürsten 110 und 112 und
zwei Wicklungen über den
Bürsten 110 und 112 in 4D fließt. Die Größe des Stroms ist in dem Fall „3-2" geringer als in
dem Fall „2-2", da die zusätzliche
Wicklung einen zusätzlichen
Widerstand hinzufügt,
der einen Stromfluß für eine angelegte
Gleichspannung verringert. „4A", „4B", „4C", „4D" und „4E" in 5 entsprechen den in 4A–4E gezeigten Positionen. Der gestrichelte Abschnitt
des Graphen 146 ist repräsentativ für einen zusätzlichen Stromfluß von der
Bürste 110 zu
der Bürste 112 gegenüber der
Zeit für
dieselbe angelegte feststehende Gleichspannung oder effektive (RMS) Gleichspannung.
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Obwohl der Gleichstrommotor 107 eine
wiederholbare Ausgabe eines Stroms gegenüber der Zeit erzeugt, ist dieses
Signal beim Erfassen der Position der Gleichstrommotorwelle zu ei nem
beliebigen gegebenen Zeitpunkt nicht nützlich, was bei Steuersystemen,
bei denen ein Gleichstrommotor verwendet wird, erforderlich ist.
Gleichstrommotoren können
entweder in einer Konfiguration mit offenem Regelkreis oder in einer
Konfiguration mit geschlossenem Regelkreis verwendet werden. Bei
einer Konfiguration mit offenem Regelkreis dreht sich eine Welle
eines Gleichstrommotors so lange, wie ein Gleichspannungssteuersignal
angelegt ist, und einen gewissen Zeitraum, nachdem das Signal entfernt
ist, bis die Trägheit
der sich drehenden Welle gedämpft
wird. Die Drehungsrichtung der Welle des Gleichstrommotors wird
durch die Polarität
des Steuersignals gesteuert. Bei derartigen offenen Gleichstrommotorsteuersystemen
ist eine genaue Motorsteuerung und -positionierung von gesteuerten
Vorrichtungen schwierig, da sich die Welle nicht jedesmal, wenn
ein Steuersignal angelegt wird, in einem vorbestimmten Ausmaß dreht.
Jedoch besteht ein Vorteil von Steuersystemen, die Gleichstrommotoren
verwendet, darin, daß ein
Gleichstrommotor-basiertes Steuersystem Leistung effizienter nutzt
und somit im Betrieb kostengünstiger
ist als ein Schrittmotor mit offenem Regelkreis, da Leistung nicht
unterbrochen wird, um die Gleichstrommotorwelle zu drehen, wie bei
einem Schrittmotor, der oben in Verbindung mit 1 und 2 beschrieben
wurde. Gleichstrommotoren sind überdies
derzeit kostengünstiger
als Schrittmotoren.
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Es wurden bereits verschiedene Lösungen angeboten,
um dieses Positionierungsproblem anzugehen, einschließlich der
Verwendung von Anschlägen
und der Verwendung eines geschlossenen Gleichstrommotorsteuersystems.
Anschläge
sind feststehende Strukturen, die in den Pfad einer gesteuerten
Vorrichtung plaziert werden und die eine weitere Bewegung der Vorrichtung
in einer bestimmten Richtung verhindern.
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Geschlossene Gleichstrommotorsteuersysteme
verwenden eine Rückkopplungsvorrichtung
wie beispielsweise einen Codierer, einen Schalter oder ein Tachometer,
um die tatsächliche
Position der gesteuerten Vorrichtung nachzuverfolgen. Die tatsächliche
Position wird rückgekoppelt
und mit der gewünschten
Position verglichen. Ein etwaiger Unterschied zwischen den beiden
wird korrigiert, indem ein weiteres Signal an den Motor gesendet
wird, um die Welle zu drehen, bis sie die gesteuerte Vorrichtung ordnungsgemäß positioniert.
Dieser Entwurf liefert eine genaue Motorsteuerung und -positionierung
von gesteuerten Vorrichtungen, wie bei offenen Schrittmotorsteuersystemen.
Ein Nachteil derartiger geschlossener Systeme besteht darin, daß diese
Rückkopplungsvorrichtungen
teuer sind. Dieser zusätzliche
Kostenfaktor kann dazu führen,
daß die
Kosten dieses geschlossenen Gleichstrommotorsteuersystems nahe an
die eines offenen Schrittmotorsteuersystems herankommen oder dieselben übersteigen.
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In der US-Patentschrift Nr. 4,078,194
ist ein Gleichstrommotor offenbart, der einen Kommutator mit einer
Mehrzahl von Schlitzen, die konfiguriert sind, um sich zu drehen,
und eine Mehrzahl von Wicklungen umfaßt. Die Anzahl der Wicklungen
entspricht der Anzahl der Schlitze. Der Motor umfaßt ferner
eine Mehrzahl von Bürsten,
die so konfiguriert sind, daß ein
Anlegen einer direkten Gleichspannung über die Bürsten zu einem Stromfluß in zumindest
einer der Stromwicklungen führt.
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In der
DE 3935594 A wird ein Gleichstrommotor gelehrt,
bei dem die Kernwicklungen unterschiedliche Induktivitäten in einer
definierten Sequenz aufweisen, um eine Messung von teilweisen Drehungen
zu ermöglichen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung ist darauf
ausgerichtet, eine genaue Motorsteuerung und -positionierung von
gesteuerten Vorrichtungen durch die Verwendung eines Gleichstrommotors
zu erreichen und gleichzeitig die Verwendung von teuren Rückkopplungsregelvorrichtungen,
um anfängliche
Ungenauig keiten der Gleichstrommotorsteuerung zu korrigieren, zu
vermeiden. Dieses Ziel wird durch einen Gleichstrommotor gemäß Anspruch
1 und durch die Verfahren zum Steuern der Position eines derartigen Motors
gemäß den Ansprüchen 10
und 11 erreicht. Die vorliegende Erfindung bewerkstelligt dies,
indem sie einen Ankerwiderstand eines Gleichstrommotors variiert,
während
sich der Motor dreht, so daß der Gleichstrommotorstrom
bei einer konstanten Gleichspannung zumindest zweimal pro vollständiger Umdrehung
des Motors wiederholbar schwankt, oder so daß die Gleichstrommotorspannung
bei einem konstanten Gleichstrom zumindest zweimal pro vollständiger Umdrehung
des Motors wiederholbar schwankt. Diese Schwankung wird zurückgekoppelt und
verwendet, um die tatsächliche
Position der Welle des Motors zu bestimmen. Jegliche Ungenauigkeiten
der Position der Welle und somit der gesteuerten Vorrichtung können dann
korrigiert werden.
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Somit besteht zumindest ein Vorteil
der vorliegenden Erfindung darin, daß sie eine direkt in den Motor
eingebaute Motorpositionsrückkopplungserzeugungsvorrichtung
umfaßt,
so daß die
zusätzlichen
Kosten traditioneller Rückkopplungserzeugungsvorrichtungen,
beispielsweise von Codierern, Schaltern und Tachometern, eliminiert
werden. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht
in einer verbesserten Steuersystemzuverlässigkeit, da ein Ausfall einer
separaten Rückkopplungserzeugungsvorrichtung
als Faktor der Gesamtsystemleistung aus dem Steuersystem eliminiert
wurde. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist eine verbesserte
Herstellbarkeit aufgrund der Tatsache, daß keine separate Rückkopplungserzeugungsvorrichtung
als Komponente jedes Steuersystems installiert werden muß.
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Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung
ist ein Gleichstrommotor zur Verwendung bei einem geschlossenen
Regelsystem. Der Gleichstrommotor umfaßt einen Kommutator, der eine
Mehrzahl von Schlitzen aufweist und konfiguriert ist, um sich zu drehen.
Der Gleichstrommotor umfaßt
ferner eine Mehrzahl von Wicklungen, wobei die Anzahl von Wicklungen
einer weniger als der Anzahl von Schlitzen des Kommutators entspricht.
Der Gleichstrommotor umfaßt
zusätzlich
eine Mehrzahl von Bürsten, die
so konfiguriert sind, daß ein
Anlegen einer Gleichspannung über
die Bürsten
in zumindest einer der stromführenden
Wicklungen zu einem Stromfluß führt, der
bewirkt, daß sich
der Kommutator dreht. Ein kontinuierliches Anlegen der Gleichspannung über die
Bürsten
bewirkt, daß der
Strom in einer variierenden Anzahl der stromführenden Wicklungen fließt, während sich
der Kommutator weiterdreht. Diese Anzahl schwankt periodisch zwischen
allen stromführenden
Wicklungen und der zumindest einen stromführenden Wicklung.
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Der oben beschriebene Gleichstrommotor kann
modifiziert werden und die folgenden Charakteristika, wie sie unten
beschrieben werden, umfassen. Der in den stromführenden Wicklungen fließende Strom
kann mit der Zeit zwischen einer maximalen Größe, einer Zwischengröße, die
geringer ist als die maximale Größe, und
einer geringen Größe, die
geringer ist als die Zwischengröße, schwanken.
Ferner kann die maximale Größe eine
Position des Motors angeben.
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Der Gleichstrommotor kann eine mit
dem Kommutator gekoppelte Welle umfassen, so daß eine Drehung des Kommutators
zu einer Drehung der Welle führt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel
variiert der in den stromführenden
Wicklungen fließende Strom
mit der Zeit auf eine Weise, die eine Position der Welle angibt.
Der in den stromführenden
Wicklungen fließende
Strom kann alle einhundertachtzig Grad (180°) der Drehung der Welle eine
maximale Größe aufweisen.
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Die Anzahl von Wicklungen kann der
Anzahl von Schlitzen des Kommutators entsprechen. Bei diesem Ausführungsbeispiel
ist eine der Wicklungen für
einen Stromfluß im
Leerlauf, so daß die
Anzahl von Wicklungen, die einen Strom führen, einer weniger als der
Anzahl von Schlitzen des Kommutators entspricht. Alternativ dazu
kann die Anzahl von Wicklungen ei ner weniger als der Anzahl von
Schlitzen des Kommutators entsprechen.
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Die stromführenden Wicklungen können benachbart
zu den Schlitzen des Kommutators positioniert sein. Alternativ ist
bzw. sind eventuell eine oder mehrere Wicklungen nicht benachbart
zu den Schlitzen des Kommutators positioniert.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden
Erfindung bezieht sich auf ein geschlossenes Regelsystem. Das System
umfaßt
einen Gleichstrommotor gemäß Anspruch
1 sowie eine Welle. Der Gleichstrommotor ist so konfiguriert, daß ein Anlegen
der Gleichspannung an den Motor bewirkt, daß sich die Welle dreht, und
einen Strom erzeugt, der mit der Zeit zwischen einer maximalen Größe, einer
Zwischengröße, die
geringer ist als die maximale Größe, und
einer geringen Größe, die
geringer ist als die Zwischengröße, schwankt,
wobei die maximale Größe eine
Position der Welle des Motors angibt. Das System umfaßt ferner
eine Motorpositionssignalquelle, die ein Motorpositionssignal zum
Drehen der Welle des Gleichstrommotors zu einer gewünschten
Position erzeugt. Das System umfaßt ferner eine Rückkopplungsschaltung, die
konfiguriert ist, um ein Tatsächliche-Position-Signal
zu erzeugen, das für
die tatsächliche
Position der Welle des Gleichstrommotors repräsentativ ist. Das Tatsächliche-Position-Signal ist
von der mit der Zeit variierenden Größe des Stroms abgeleitet. Die
Rückkopplungsschaltung
ist ferner konfiguriert, um ein Motorpositionsfehlersignal zu erzeugen,
das für
jeglichen Unterschied zwischen dem motorbefehligten Positionssignal
von der Motorpositionssignalquelle und dem Tatsächliche-Position-Signal repräsentativ ist.
Das System umfaßt
ferner eine Gleichspannungsquelle, die mit dem Gleichstrommotor
gekoppelt ist. Das Motorpositionsfehlersignal ist mit der Gleichspannungsquelle
gekoppelt, um die Welle des Gleichstrommotors auf der Basis des
Motorpositionsfehlersignals zu drehen, um etwaige Fehler der gewünschten
Position der Welle des Gleichstrommotors zu korrigieren.
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Das oben beschriebene geschlossene
Regelsystem kann verändert
werden und die folgenden unten beschriebenen Charakteristika umfassen.
Die Motorpositionssignalquelle kann einen Mikroprozessor oder eine
Steuerung umfassen. Die Rückkopplungsschaltung
kann eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC - application
specific integrated circuit) umfassen, die entworfen ist, um das Tatsächliche-Position-Signal auf der Basis
der mit der Zeit variierenden Größe des Stroms
zu erzeugen. Die Rückkopplungsschaltung
kann ferner einen Komparator umfassen, der konfiguriert ist, um
das Motorpositionsfehlersignal zu erzeugen, das für jeglichen
Unterschied zwischen dem motorbefehligten Positionssignal von der
Motorpositionssignalquelle und dem Tatsächliche-Position-Signal repräsentativ ist.
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Das geschlossene Regelsystem kann
ferner einen mit der Welle des Motors gekoppelten Druckmechanismus
umfassen. Der Gleichstrommotor kann einen Kommutator umfassen, der
eine Mehrzahl von Schlitzen aufweist und konfiguriert ist, um sich
zu drehen. Der Gleichstrommotor umfaßt ferner eine Mehrzahl von
Wicklungen. Die Anzahl von Wicklungen, die Strom führen, entspricht
einer weniger als der Anzahl von Schlitzen des Kommutators. Die
Anzahl von Wicklungen kann der Anzahl von Schlitzen des Kommutators
entsprechen. Bei diesem Ausführungsbeispiel
ist eine der Wicklungen für
einen Stromfluß im
Leerlauf, so daß die
Anzahl von Wicklungen, die Strom führen, einer weniger als der
Anzahl von Schlitzen des Kommutators entspricht. Alternativ kann
die Anzahl von Wicklungen einer weniger als der Anzahl von Schlitzen
des Kommutators entsprechen.
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Ein alternatives Ausführungsbeispiel
eines geschlossenen Regelsystems gemäß der vorliegenden Erfindung
umfaßt
einen Gleichstrommotor gemäß Anspruch
1 sowie eine Welle. Der Gleichstrommotor ist so konfiguriert, daß ein Anlegen
eines Konstantstroms an den Motor bewirkt, daß sich die Welle dreht, und
einen Spannungsabfall über
den Gleichstrommotor bewirkt, der mit der Zeit zwischen einer maximalen
Größe, einer
Zwischengröße, die
geringer ist als die maximale Größe, und
einer geringen Größe, die
geringer ist als die Zwischengröße, schwankt,
wobei die maximale Größe eine
Position der Welle des Motors angibt. Das System umfaßt ferner
eine Motorpositionssignalquelle, die ein Motorpositionssignal zum
Drehen der Welle des Gleichstrommotors zu einer gewünschten
Position erzeugt. Das System umfaßt zusätzlich eine Rückkopplungsschaltung,
die konfiguriert ist, um ein Tatsächliche-Position-Signal zu
erzeugen, das für
die tatsächliche
Position der Welle des Gleichstrommotors repräsentativ ist. Das Tatsächliche-Position-Signal
ist von der mit der Zeit variierenden Größe der Spannung abgeleitet.
Die Rückkopplungsschaltung
ist ferner konfiguriert, um ein Motorpositionsfehlersignal zu erzeugen, das
für jeglichen
Unterschied zwischen dem motorbefehligten Positionssignal von der
Motorpositionssignalquelle und dem Tatsächliche-Position-Signal repräsentativ ist. Das System umfaßt ferner
eine Konstantstromquelle, die mit dem Gleichstrommotor gekoppelt
ist. Das Motorpositionsfehlersignal ist mit der Konstantstromquelle
gekoppelt, um die Welle des Gleichstrommotors auf der Basis des
Motorpositionsfehlersignals zu drehen, um etwaige Fehler der gewünschten
Position der Welle des Gleichstrommotors zu korrigieren.
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Dieses alternative geschlossene Regelsystem
kann modifiziert werden und die folgenden Charakteristika umfassen,
die oben in Verbindung mit dem ersten geschlossenen Regelsystem
beschrieben wurden.
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Ein zusätzlicher Aspekt der vorliegenden
Erfindung bezieht sich auf einen Druckmechanismus, der einen Gleichstrommotor
aufweist, der ein Positionsrückkopplungssignal
erzeugt. Der Druckmechanismus umfaßt einen Druckkopf zum Drucken
eines Bildes und ein Druckmedienhandhabungssystem zum Zuführen eines
Druckmediums durch eine Druckzone. Der Druckmechanismus umfaßt ferner einen
Wagen, auf dem der Druckkopf angeordnet ist. Der Wagen ist für eine Bewegung über die
Druck zone konfiguriert. Der Druckmechanismus umfaßt ferner
einen Gleichstrommotor, der eine Welle aufweist. Der Gleichstrommotor
ist so konfiguriert, daß ein
Anlegen einer Gleichspannung an den Motor bewirkt, daß sich die
Welle dreht, und einen Strom erzeugt, der mit der Zeit zwischen
einer maximalen Größe, einer
Zwischengröße, die
geringer ist als die maximale Größe, und
einer geringen Größe, die
geringer ist als die Zwischengröße, schwankt,
wobei die maximale Größe eine
Position der Welle des Motors anzeigt. Der Druckmechanismus umfaßt ferner
eine mit dem Gleichstrommotor gekoppelte Rückkopplungsschaltung, die die
mit der Zeit variierende Stromgröße verwendet,
um jegliche Ungenauigkeiten beim Positionieren der Welle des Gleichstrommotors
zu korrigieren.
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Der oben beschriebene Druckmechanismus kann
modifiziert sein und die folgenden Charakteristika umfassen, wie
sie nachfolgend beschrieben werden. Der Gleichstrommotor kann eine
asymmetrische Wicklung umfassen. Der Druckkopf kann einen Tintenstrahldruckkopf
umfassen, und der Druckmechanismus kann eine Wartungsstation umfassen,
die den Tintenstrahldruckkopf wartet. Bei diesem Ausführungsbeispiel
ist die Welle des Gleichstrommotors mit der Wartungsstation gekoppelt,
um einen Betrieb der Wartungsstation zu steuern.
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Die Welle des Gleichstrommotors kann
mit dem Druckmedienhandhabungssystem gekoppelt sein, um einen Betrieb
des Druckmedienhandhabungssystems zu steuern. Alternativ dazu kann
der Gleichstrommotor mit dem Wagen gekoppelt sein, um einen Betrieb
des Wagens zu steuern.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Druckmechanismus,
der einen Gleichstrommotor aufweist, der ein Positionsrückkopplungssignal
gemäß der vorliegenden
Erfindung erzeugt, umfaßt
einen Druckkopf zum Drucken eines Bildes und ein Druckmedienhandhabungssystem
zum Zuführen
von Druckmedien durch eine Druckzone. Der Druckmechanismus umfaßt ferner
einen Wagen, auf dem der Druckkopf angeordnet ist. Der Wa gen ist
für eine
Bewegung über
die Druckzone konfiguriert. Der Druckmechanismus umfaßt zusätzlich einen
Gleichstrommotor, der eine Welle aufweist. Der Gleichstrommotor
ist derart konfiguriert, daß ein
Anlegen eines Konstantstroms an den Motor bewirkt, daß sich die
Welle dreht, und einen Spannungsabfall über den Gleichstrommotor bewirkt,
der mit der Zeit zwischen einer maximalen Größe, einer Zwischengröße, die
geringer ist als die maximale Größe, und
einer geringen Größe, die
geringer ist als die Zwischengröße, schwankt,
wobei die maximale Größe eine
Position der Welle des Motors angibt. Der Druckmechanismus umfaßt ferner
eine mit dem Gleichstrommotor gekoppelte Rückkopplungsschaltung, die die
mit der Zeit variierende Spannungsgröße verwendet, um jegliche Ungenauigkeiten
beim Positionieren der Welle des Gleichstrommotors zu korrigieren.
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Dieser alternative Druckmechanismus
kann modifiziert werden und die folgenden Charakteristika, wie sie
oben in Verbindung mit dem ersten Druckmechanismus beschrieben wurden,
umfassen.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern einer Position
einer Welle eines Gleichstrommotors gemäß Anspruch 1 in einem geschlossenen
Rückkopplungsregelsystem.
Das Verfahren umfaßt
die Schritte eines Erzeugens eines motorbefehligten Positionssignals
zum Drehen der Welle des Gleichstrommotors zu einer gewünschten
Position und ein Erzeugen eines Tatsächliche-Position-Signals, das für die tatsächliche
Position der Welle des Gleichstrommotors repräsentativ ist, wobei das Tatsächliche-Position-Signal
von einer mit der Zeit variierenden Größe eines Stroms des Gleichstrommotors
abgeleitet ist. Das Verfahren umfaßt zusätzlich die Schritte eines Erzeugens
eines Motorpositionsfehlersignals, das für jeglichen Unterschied zwischen
dem motorbefehligten Positionssignal und dem Tatsächliche-Position-Signal
repräsentativ
ist, und ein Erzeugen einer Gleichspannung auf der Basis des Motorpositionsfehlersignals,
um die Welle des Gleichstrommotors zu der gewünschten Position zu drehen.
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Ein noch weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung
bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern einer Position einer
Welle eines Gleichstrommotors gemäß Anspruch 1 in einem geschlossenen
Rückkopplungsregelsystem.
Das Verfahren umfaßt
die Schritte des Erzeugens eines motorbefehligten Positionssignals
zum Drehen der Welle des Gleichstrommotors zu einer gewünschten
Position und ein Erzeugen eines Tatsächliche-Position-Signals, das
für die tatsächliche
Position der Welle des Gleichstrommotors repräsentativ ist, wobei das Tatsächliche-Position-Signal
von einer mit der Zeit variierenden Größe einer Spannung des Gleichstrommotors
abgeleitet ist. Das Verfahren umfaßt zusätzlich die Schritte des Erzeugens
eines Motorpositionsfehlersignals, das für jeglichen Unterschied zwischen
dem motorbefehligten Positionssignal und dem Tatsächliche-Position-Signal
repräsentativ
ist, und ein Erzeugen eines Konstantstroms auf der Basis des Motorpositionsfehlersignals,
um die Welle des Gleichstrommotors zu der gewünschten Position zu drehen.
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Andere Ziele, Vorteile und neuartige
Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden
detaillierten Beschreibung der Erfindung, wenn dieselbe in Verbindung
mit den beiliegenden Zeichnungen betrachtet wird.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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6A–6K sind schematische Teilansichten des
Betriebs eines Gleichstrommotors, der gemäß der vorliegenden Erfindung
aufgebaut ist.
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7 ist
ein Graph eines Strom gegenüber der
Zeit für
den Gleichstrommotorbetrieb der vorliegenden Erfindung, der in 6A–6K gezeigt ist.
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8 ist
eine graphische Darstellung einer Ausgabe eines tatsächlichen
Stroms gegenüber
der Zeit für
einen gemäß der vorliegenden
Erfindung aufgebauten Gleichstrommotor.
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9 ist
eine schematische Darstellung eines geschlossenen Gleichstrommotorregelsystems, das
eine Rückkopplungserzeugungsvorrichtung
verwendet.
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10 ist
eine schematische Darstellung eines geschlossenen Gleichstrommotorregelsystems, das
gemäß der vorliegenden
Erfindung aufgebaut ist.
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11 ist
ein Flußdiagramm
zum Steuern einer Position einer Welle eines Gleichstrommotors, der
eine asymmetrische Wicklung aufweist, in einem geschlossenen Rückkopplungsregelsystem,
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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12 ist
ein Flußdiagramm
eines alternativen Verfahrens zum Steuern einer Position einer Welle
eines Gleichstrommotors, der eine asymmetrische Wicklung aufweist,
in einem geschlossenen Rückkopplungsregelsystem,
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Ausführliche
Beschreibung der Zeichnungen
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Im Handel sind eine Vielzahl von
Tintenstrahldruckmechanismen erhältlich.
Beispielsweise umfassen manche der Druckmechanismen, die die vorliegende
Erfindung verkörpern
können
und unten beschrieben werden, Plotter, tragbare Druckeinheiten,
Kopierer, Kameras, Videodrucker und Faxgeräte, um nur einige zu nennen.
Die vorliegende Erfindung, von der ein Ausführungsbeispiel weiter unten beschrieben
wird, kann bei Druckmechanismen für solche Dinge wie ein Bewegen
des Druckwagens, ein Bewegen des Druckmediums und ein Bewegen von Elementen
der Tintenstrahldruckkopfwartungsstation verwendet werden. Die vorliegende
Erfindung kann auch außerhalb
von Druckmechanismen Anwendung finden. Beispielsweise können Anwendungen
der vorliegenden Erfindung VCRs, Computer, Automobile und Stereoanlagen
umfassen. Der Zweckmäßigkeit
halber sind die Konzepte eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden
Erfindung in der Umgebung eines Tintenstrahldruckers veranschaulicht.
Es versteht sich jedoch, daß die
vorliegende Erfindung auch in anderen mikroprozessor- oder steuerungsbasierten
Gleichstrommotoranwendungen, beispielsweise den oben beschriebenen,
verwendet werden kann.
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Das bevorzugte Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist darauf ausgerichtet, eine genaue
Motorsteuerung und -positionierung von gesteuerten Vorrichtungen,
die mit derjenigen vergleichbar ist, die mit einem schrittmotorbetriebenen Steuersystem
erreicht wird, durch die Verwendung eines Gleichstrommotors zu erreichen
und gleichzeitig die Verwendung von teuren Rückkopplungsregelvorrichtungen,
um anfängliche
Ungenauigkeiten der Gleichstrommotorsteuerung zu korrigieren, zu
vermeiden. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung bewerkstelligt dies, indem sie einen
Ankerwiderstand eines Gleichstrommotors variiert, während sich
der Motor dreht, so daß der Gleichstrommotorstrom
bei einer konstanten Gleichspannung zumindest zweimal pro vollständiger Umdrehung
des Motors wiederholbar schwankt, oder so daß die Gleichstrommotorspannung
bei einem konstanten Gleichstrom zumindest zweimal pro vollständiger Umdrehung
des Motors wiederholbar schwankt. Diese Schwankung der Rückkopplung wird
verwendet, um die tatsächliche
Position der Welle des Motors zu bestimmen. Jegliche Ungenauigkeiten
der Position der Welle und somit der gesteuerten Vorrichtung können dann
korrigiert werden.
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6A–6K sind schematische Teilansichten des
Betriebs eines gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung aufgebauten Gleichstrommotors 146.
Der Gleichstrommotor 146 umfaßt einen Anker 148 und
ein Paar von Bürsten 150 und 152, über die
eine Gleichspannung angelegt ist. Der Anker 148 umfaßt in der
Darstellung einen Kommutator 154, der fünf Schlitze 156, 158, 160, 162 und 164 aufweist
und auf dem vier Wicklungen 166, 168, 170 und 172 gewickelt
sind. Obwohl die Wicklungen 166, 168, 170 und 172 als
benachbart zu jeweiligen Schlitzen 156, 158, 160 und 162 positioniert
gezeigt sind, versteht es sich, daß bei anderen Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung Wicklungen auch nicht zu den Motorschlitzen benachbart
positioniert sein können.
Der fünfte
windungsbenachbarte Schlitz 164 wurde aus der Schaltung
genommen, indem er beispielsweise abgeschnitten wird, um einen Leerlauf
zu erzeugen, oder indem er überhaupt
von dem Motor 146 entfernt wird. Dies bewirkt einen Leerlauf
bei Schlitz 164.
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Falls über die Bürsten 150 und 152 eine Gleichspannung
oder effektive (RMS) Gleichspannung angelegt ist, wie in 6A–6K gezeigt ist, fließt ein positiver Strom von
der Bürste 150 über manche der
oder alle Wicklungen 166, 168, 170 und 172 zu der
Bürste 152,
was bewirkt, daß sich
der Anker 148 in einer im Uhrzeigersinn verlaufenden Richtung dreht,
wie allgemein durch einen Pfeil 174 in 6A–6K angegeben ist. Unter Bezugnahme auf 6A kann man sehen, daß in dieser Position des Kommutators 154 ein
Strom durch die Wicklungen 166 und 168 fließt, wie
allgemein durch Strompfeile 176 und 178 angegeben
ist, und durch Wicklungen 170 und 172 fließt, wie
allgemein durch Strompfeile 180 und 182 angegeben
ist. Diese Stromflüsse
ergeben sich, da sich der Schlitz 164 unter der Bürste 150 befindet
und dadurch durch dieselbe kurzgeschlossen wird. Unter Bezugnahme
auf 6B hat sich der Kommutator 154 in
ausreichendem Maße
im Uhrzeigersinn zu der gezeigten Position gedreht, so daß aufgrund
des Leerlaufs bei Schlitz 164 kein Strom in den Wicklungen 166 oder 168 fließt. Es fließt jedoch ein
Strom in den Wicklungen 170 und 172, wie allgemein
durch Strompfeile 180 und 182 angegeben ist. Eine
weitere Drehung des Kommutators 154 in der im Uhrzeigersinn
verlaufenden Richtung ist in 6C gezeigt.
An diesem Punkt weist die Wicklung 166 aufgrund des Leerlaufs
bei Schlitz 164 keinen Stromfluß auf, und ferner ist die Wicklung 168 kurzgeschlossen, da
sich der Schlitz 158 unter der Bürste 152 befindet. Es
fließt
weiterhin Strom durch die Wicklungen 170 und 172 des
Ankers 148, wie gezeigt ist. Unter Bezugnahme auf 6D hat sich der Kommutator 154 im
Uhrzeigersinn weitergedreht, so daß nun ein Strom durch die Wicklungen 168, 170 und 172 des Ankers 148 fließt, wie
gezeigt ist, jedoch nicht durch die Wicklung 166, aufgrund
des Leerlaufs bei Schlitz 164. Eine weitere im Uhrzeigersinn
verlaufende Drehung des Kommutators 154 ist in 6E gezeigt. In dieser Position wird die
Wicklung 172 kurzgeschlossen, da sich der Schlitz 162 unter
der Bürste 150 befindet.
Aufgrund des Leerlaufs bei Schlitz 164 fließt immer
noch kein Strom durch die Wicklung 166. Es fließt ein Strom
durch die Wicklungen 168 und 170 des Ankers 148,
wie gezeigt ist. Eine weitere im Uhrzeigersinn verlaufende Drehung
des Ankers 148 ist in 6F gezeigt.
In dieser Position fließt
aufgrund des Leerlaufs bei Schlitz 164 weder ein Strom
durch die Wicklung 166 noch durch die Wicklung 172.
Es fließt weiterhin
ein Strom durch die Wicklungen 168 und 170, wie
gezeigt ist.
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Während
sich der Kommutator 154 weiterdreht, erreicht er die in 6G gezeigte Position. In dieser Position
fließt
aufgrund des offenen Leerlaufs bei Schlitz 164 kein Strom
durch die Wicklung 172. Die Wicklung 166 wird
aufgrund der Position des Schlitzes 156 unter der Bürste 152 kurzgeschlossen. Es
fließt
weiterhin Strom durch die Wicklungen 168 und 170.
Eine weitere Drehung des Kommutators 154 im Uhrzeigersinn
führt zu
der in 6H gezeigten Position. In dieser
Position fließt
aufgrund des offenen Leerlaufs bei Schlitz 164 kein Strom
durch die Wicklung 172. Es fließt ein Strom durch die Wicklungen 166, 168 und 170,
wie gezeigt ist. Eine zusätzliche
Drehung des Kommutators 154 im Uhrzeigersinn führt zu der
in 6I gezeigten Position. In dieser Position
wird die Wicklung 170 kurzgeschlossen, da sich der Schlitz 160 unter
der Bürste 150 befindet, und
aufgrund des offenen Leerlaufs bei Schlitz 164 fließt kein
Strom durch die Wicklung 172. Es fließt weiterhin Strom durch die
Wicklungen 166 und 168, wie gezeigt ist. Eine
weitere Drehung im Uhrzeigersinn plaziert den Motor 146 in
der in 6J gezeigten Position. In dieser
Position fließt
aufgrund des offenen Leerlaufs bei Schlitz 164 kein Strom
durch die Wicklungen 170 oder 172. Es fließt weiterhin
ein Strom durch die Wicklungen 166 und 168, wie
gezeigt ist. Eine weitere Drehung des Kommutators 154 im
Uhrzeigersinn ist in 6K gezeigt. In
dieser Position fließt
durch alle Wicklungen Strom, wie gezeigt ist, da der Schlitz 164 durch
die Bürste 152 kurzgeschlossen
wird.
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7 zeigt
einen Graphen 184 des Stroms gegenüber der Zeit für den in 6A–6K gezeigten Gleichstrommotorbetrieb. Wie
in 7 zu sehen ist, schwankt
die Größe des Stroms
während
der Drehung des Kommutators 114 periodisch zwischen zwei
Werten. Die größere Größe ist in 7 mit „2-2" angegeben, die mittlere mit „0-2", und die kleinste Größe ist in 7 mit „0-3" angegeben. Die „2-2" gibt den Wert des gesamten Stroms an,
der von der Bürste 150 zu
der Bürste 152 fließt, wenn
ein Strom durch zwei Wicklungen über
den Bürsten 150 und 152 und zwei
Wicklungen unter den Bürsten 150 und 152 in 6A und 6K fließt. „0-2" gibt den Wert des
gesamten Stroms an, der von der Bürste 150 zu der Bürste 152 fließt, wenn
ein Strom durch zwei Wicklungen über
den Bürsten 150 und 152 oder
zwei Wicklungen unter den Bürsten 150 und 152 fließt, wie
in 6B, 6C, 6E, 6F, 6G, 6I und 6J gezeigt ist. „0-3" gibt den Wert des gesamten Stroms an,
der von der Bürste 150 zu
der Bürste 152 fließt, wenn
ein Strom durch drei Wicklungen über
den Bürsten 150 und 152 oder drei
Wicklungen unter den Bürsten 150 und 152 fließt, wie
in 6D und 6H gezeigt
ist. Die Größe des Stroms
ist in dem Fall „0-2" geringer als in
dem Fall „2- 2", da Strom lediglich
durch eine Hälfte
des Motors fließt.
Die Größe des Stroms
ist in dem Fall „0-3" geringer als in
dem Fall „0-2", da die zusätzliche Wicklung
einen zusätzlichen
Widerstand hinzufügt, der
einen Stromfluß für eine angelegte
Gleichspannung verringert. „6A", „6B", „6C", „6D", „6E", „6F", „6G", „6H", „6I", „6J" und „6K" in 7 entsprechen den in 6A–6K gezeigten Positionen. Der gestrichelte
Abschnitt des Graphen 184 ist repräsentativ für einen zusätzlichen Stromfluß von der
Bürste 150 zu
der Bürste 152 gegenüber der
Zeit für
dieselbe angelegte feststehende Gleichspannung oder effektive (RMS)
Gleichspannung.
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Aus einer Prüfung des Graphen 184 ergibt sich,
daß ein
relativ größter Stromgrößenpuls
bzw. eine „Spitze" 186 und 188 jede
halbe Umdrehung des Motors 146 auftritt. Diese „Spitzen" liefern eine Positionsangabe
der Welle des Gleichstrommotors, die verwendet werden kann, um eine
gesteuerte Vorrichtung genauer zu positionieren, als dies mit lediglich einem
Gleichstrommotor möglich
ist, wobei diese Positionsgenauigkeit mit derjenigen vergleichbar
ist, die mit einer separaten Positionsrückkopplungsvorrichtung wie
beispielsweise einem Codierer erreicht wird.
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8 ist
eine graphische Darstellung 190 einer Ausgabe eines tatsächlichen
Stroms gegenüber der
Zeit für
einen gemäß der vorliegenden
Erfindung aufgebauten Gleichstrommotor. Die graphische Darstellung 190 wurde
mit einem gemäß der vorliegenden
Erfindung aufgebauten Dreischlitz-Gleichstrommotor erzeugt, der bei einer
konstanten Gleichspannung bei 4.000 Umdrehungen pro Minute (U/min) ohne
Last arbeitet. Wie in 8 zu
sehen ist, treten Strompulse oder -„Spitzen" 192, 194, 196, 198, 200 und 202 auf
periodische Weise auf und geben jeweils eine halbe Umdrehung des
Dreischlitz-Gleichstrommotors an.
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Ein geschlossenes Gleichstrommotorregelsystem 204,
das eine Rückkopplungserzeugungsvorrichtung
verwendet, ist in 9 gezeigt.
Das System 204 umfaßt
einen Gleichstrommotor 206, der verwendet wird, um eine
(nicht gezeigte) gesteuerte Vorrichtung und eine Rückkopplungsvorrichtung,
in diesem Fall einen Codierer 208, anzutreiben, die bzw. der
ein Datensignal über
die tatsächliche
Position der Vorrichtung liefert, die durch den Gleichstrommotor auf
der Basis einer mechanischen Bewegung der Vorrichtung gesteuert
wird. Das Tatsächliche-Position-Datensignal
wird rückgekoppelt
und mit dem motorbefehligten Positionssignal von einer Vorrichtung wie
beispielsweise einem Mikroprozessor oder einer Steuerung, der bzw.
die ein Positionieren des Motors steuert, verglichen, was schematisch
durch einen Komparator 210 in 9 dargestellt ist. Jegliche Unterschiede
zwischen den beiden Signalen weisen auf einen Fehler in bezug auf
eine Position hin, der als Steuersignal einem Servoprogramm 212 zugeführt wird,
das derartige Steuersignale in eine DC-Spannung umwandelt, um den Motor anzutreiben
und etwaige derartige Positionsfehler zu korrigieren.
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10 ist
eine schematische Darstellung eines geschlossenen Gleichstrommotorregelsystems 214 gemäß der vorliegenden
Erfindung. Das System 214 umfaßt einen gemäß der vorliegenden
Erfindung aufgebauten Gleichstrommotor 216, wie er oben
beschrieben wurde, der verwendet wird, um eine (nicht gezeigte)
gesteuerte Vorrichtung anzutreiben. Eine Positionsrückkopplungsvorrichtung,
wie ein Codierer 208 in 9,
die bzw. der sich auf eine mechanische Bewegung stützt, ist
bemerkenswerterweise in dem System 214 nicht vorhanden.
Wie oben beschrieben wurde, weist der Motor 216 ein Motorpositionsrückkopplungssignal
(z. B. einen mit der Zeit variierenden Strom, der einen Strompuls
oder eine Strom-„Spitze" einer großen Amplitude
umfaßt,
oder, alternativ dazu, eine mit der Zeit variierende Spannung, die
einen Spannungspuls oder eine Spannungs-„Spitze" einer großen Amplitude umfaßt) direkt
in dem Motor auf, so daß die
zusätzlichen
Kosten von traditionellen Rückkopplungserzeugungsvorrichtungen,
beispielsweise Codierern, Schaltern und Tachometern, eliminiert
werden. Dieses Positionssignal wird durch eine relativ kostengünstigere
anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) 218 in
einer Rückkopplungsschaltung
verarbeitet, um ein Tatsächliche-Position-Signal
zu erzeugen, das entweder die Position der gesteuerten Vorrichtung
oder die Motorwellenposition angibt. Dieses Tatsächliche-Position-Signal wird zurückgekoppelt
und mit dem motorbefehligten Positionssignal von einer Vorrichtung,
beispielsweise einem Mikropxozessor oder einer Steuerung, die bzw.
der eine Positionierung des Motors steuert und schematisch durch
einen Komparator 220 in 10 dargestellt
ist, verglichen. Jegliche Unterschiede zwischen den beiden Signalen
weisen auf einen Fehler bezüglich
einer Position hin, der als Steuersignal einem Servoprogramm 222 zugeführt wird,
das derartige Steuersignale in eine Gleichspannung (für ein zeitveränderliches
Strom-Positionssignal) oder einen Konstantstrom (für ein zeitveränderliches
Spannung-Positionssignal)
umwandelt, um den Motor anzutreiben und jegliche derartige Positionsfehler
zu korrigieren.
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Ein Flußdiagramm 224 zum
Steuern einer Position einer Welle eines Gleichstrommotors in einem
geschlossenen Rückkopplungsregelsystem
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist in 11 gezeigt.
Der Gleichstrommotor weist eine asymmetrische Wicklung (d. h. weniger
stromführende
Wicklungen als Kommutatorschlitze) auf. Das Flußdiagramm 224 umfaßt die Schritte
des Erzeugens eines motorbefehligten Positionssignals zum Drehen
der Welle des Gleichstrommotors zu einer gewünschten Position 226 und
des Erzeugens eines Tatsächliche-Position-Signals 228,
das für
die tatsächliche
Position der Welle des Gleichstrommotors repräsentativ ist. Das Tatsächliche-Position-Signal 228 ist
von einer mit der Zeit variierenden Größe eines Stroms des Gleichstrommotors 230 abgeleitet,
beispielsweise durch eine ASIC, wie oben beschrieben wurde. Das
Flußdiagramm 224 umfaßt zusätzlich die
Schritte eines Erzeugens eines Motorpositionsfehlersignals 232,
das für
jeglichen Unterschied zwischen dem matarbefehligten Positionssignal 226 und
dem Tatsächliche-Position-Signal 228 repräsentativ
ist, und des Erzeugens einer Gleichspannung 234 auf der
Basis des Motorpositionsfehler signals 232, um die Welle
des Gleichstrommotors zu einer neuen tatsächlichen Position, die sich
näher an
der gewünschten
Position 236 befindet, zu bewegen oder zu drehen. Das Signal 228 der
neuen tatsächlichen
Position, das von der mit der Zeit variierenden Größe des Stroms
des Gleichstrommotors erzeugt wurde, wird zurückgekoppelt und mit dem motorbefehligten
Positionssignal 226 verglichen, wie oben beschrieben wurde,
um die tatsächliche
Position näher
an die gewünschte Position
zu bringen. Schließlich
erreicht die tatsächliche
Position durch diese fortgesetzte Rückkopplung die gewünschte Position.
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Ein alternatives Flußdiagramm 238 zum Steuern
einer Position einer Welle eines Gleichstrommotors in einem geschlossenen
Rückkopplungsregelsystem
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist in 12 gezeigt.
Der Gleichstrommotor weist eine asymmetrische Wicklung (d. h. weniger
stromführende
Wicklungen als Kommutatorschlitze) auf. Das Flußdiagramm 238 umfaßt die Schritte
des Erzeugens eines motorbefehligten Positionssignals zum Drehen
der Welle des Gleichstrommotors zu einer gewünschten Position 240 und
eines Erzeugens eines Tatsächliche-Position-Signals 242,
das für
die tatsächliche
Position der Welle des Gleichstrommotors repräsentativ ist. Das Tatsächliche-Position-Signal 242 ist
von einer mit der Zeit variierenden Größe einer Spannung des Gleichstrommotors 244 beispielsweise
durch eine ASIC abgeleitet, wie oben beschrieben wurde. Das Flußdiagramm 238 umfaßt zusätzlich die
Schritte des Erzeugens eines Motorpositionsfehlersignals 246,
das für
jeglichen Unterschied zwischen dem motorbefehligten Positionssignal 240 und
dem Tatsächliche-Position-Signal 242 repräsentativ
ist, und des Erzeugens eines Konstantstroms 248 auf der
Basis des Motorpositionsfehlersignals 246, um die Welle
des Gleichstrommotors zu einer neuen tatsächlichen Position, die sich
näher an
der gewünschten
Position 250 befindet, zu bewegen oder zu drehen. Das Signal 242 der
neuen tatsächlichen
Position, das aus der mit der Zeit variierenden Größe der Spannung
des Gleichstrommotors erzeugt wurde, wird zurückgekoppelt und mit dem motorbefehligten
Positionssignal 240 verglichen, wie oben beschrieben wurde,
um die tatsächliche
Position näher
an die gewünschte
Position zu bringen. Durch diese fortgesetzte Rückkopplung erreicht die tatsächliche
Position letztendlich die gewünschte
Position.
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Obwohl die Erfindung ausführlich beschrieben
und veranschaulicht wurde, versteht es sich selbstverständlich,
daß die
Beschreibung lediglich veranschaulichend und beispielhaft ist und
nicht als Einschränkung
anzusehen ist. Beispielsweise kann statt einer Gleichspannung eine
Gleichstromquelle verwendet werden, um einen Motor gemäß der vorliegenden
Erfindung zu steuern. Für
derartige Ausführungsbeispiele
erzeugen Motoren gemäß der vorliegenden
Erfindung eine mit der Zeit variierende Spannung, die eine Position
einer Motorwelle oder einer gesteuerten Vorrichtung angibt. Diese
mit der Zeit variierende Spannung kann wie oben beschrieben in einem
geschlossenen Rückkopplungssystem
verwendet werden. Als weiteres Beispiel können ein gemischtes geschlossenes
Rückkopplungsregelsystem und
-verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung zwischen einer Gleichspannungsquelle und einer Gleichstromquelle
abwechseln, um einen Motor gemäß der vorliegenden
Erfindung zu steuern. Ein derartiges System und Verfahren würden entworfen,
um den mit der Zeit variierenden Strom von dem Motor für eine Motorsteuerung
zu verwenden, wenn die Gleichspannungsquelle funktionstüchtig wäre, und um
die mit der Zeit variierende Spannung von dem Motor für eine Motorsteuerung
zu verwenden, wenn die Gleichstromquelle funktionstüchtig wäre. Als
zusätzliches
Beispiel ist die vorliegende Erfindung bei Gleichstrommotorkonfigurationen,
die nicht aus dem veranschaulichten Fünfpol-Gleichstrommotor bestehen
(z. B. bei einem Drei-, Sieben-, Acht-, Neun- oder Zwölf-Pol-Gleichstrommotor),
anwendbar. Als weiteres Beispiel und wie oben angegeben wurde, kann die
vorliegende Erfindung auch auf andere Vorrichtungen als Druckmechanismen
angewandt werden.