DE2908182C2 - Steuerschaltung für einen Schrittmotor mit einem reaktiven Rotor und mit Ständerwicklungen - Google Patents

Steuerschaltung für einen Schrittmotor mit einem reaktiven Rotor und mit Ständerwicklungen

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DE2908182C2
DE2908182C2 DE2908182A DE2908182A DE2908182C2 DE 2908182 C2 DE2908182 C2 DE 2908182C2 DE 2908182 A DE2908182 A DE 2908182A DE 2908182 A DE2908182 A DE 2908182A DE 2908182 C2 DE2908182 C2 DE 2908182C2
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Shigeyuki Tokio/Tokyo Araki
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P8/00—Arrangements for controlling dynamo-electric motors of the kind having motors rotating step by step
    • H02P8/24—Arrangements for stopping
    • H02P8/30—Holding position when stopped

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung für einen Schrittmotor mit einem reaktiven Rotor und mit m Ständerwicklungen der im Oberbegriff des Anspruchs 1
ίο angegebenen Gattung.
Solche Schrittmotorsysteme werden beispielsweise dann verwendet, wenn eine Walze in einem Drucker, einem Faksimile-Sendeempfänger oder einer ähnlichen Büromaschine exakt gedreht werden muß.
Aue dem Artikel »Einführung in die Probleme des Schrittmotorantriebes«, veröffentlicht in der Schweizerischen Technischen Zeitschrift STZ, Nr. 48, 29. Febr. 1973, S. 969 ff, ist es bekannt, einen Schrittmotor auch in Halbschritten zu betreiben. Dadurch kann ein Zwischengetriebe entfallen. Problematisch ist hierbei jedoch, daß das Verhalten des Schrittmotors bei Voll- und Halbschritt nicht vollständig gleich ist
Weiterhin werden verschiedene Bauformen von Schrittmotoren beschrieben, insbesondere ein Ein-Stator-Motor sowie ein Mehr-Stator-Motor. Der Ein-Stator-Motor weist mehrere, bewickelte Pole cuf. Der Rotor ist gezahnt, wobei die Zahi der Zähne ungleich der Zahl der Pole sein muß. Dieser Motor dreht sich, sobald die Wicklungen in einer festen Reihenfolge abwechselnd an Spannung gelegt werden.
Der Mehr-Stator-Motor weist m gleiche Rotor-Stator-Systeme auf, die gegeneinander um Mm Polteilung versetzt sind.
Weiterhin ist es aus der DE-OS 25 07 562 und der DE-OS 27 25 887 bekannt, den Schrittmotor durch Verriegelungsschaltungen in eine Haltestellung zu arretieren.
Außerdem ist aus der DE-AS 15 38 832 ein Antriebssystem mit einem Schrittmotor bekannt, bei dem die Positionssignaie zwischen zwei benachbarten Schritten der Motorwelle phasenverschoben werden. Dadurch wird eine Betriebsart »Schnellgang« möglich, bei der eine Wicklungskombination erregt wird, deren zugeordnete Schrittstellung etwa zwei Schritte von der augenblicklichen Schrittstellung entfernt liegt. Diese Wicklungskombination kann zur Durchführung von mindestens zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden Schritten in einer Richtung nach Erregung eines Einzelschrittes mit vorgegebener Richtung eingeschaltet werden.
Eine Steuerschaltung für einen Schrittmotor mit einem reaktiven Rotor und mit m Steuerwicklungen der angegebenen Gattung geht schließlich aus der DE-AS 12 38 984 hervor und weist eine Steuereinrichtung zur aufeinanderfolgenden Erregung der Ständerwicklungen, einen photoelektrischen Fühler zur Erzeugung jeweils eines, der Lage des Rotors entsprechenden Stellungssignals für jede Steuerwicklung, eine den Rotor durch Erregung einer Ständerwicklung in einer bestimmten Lage haltende Arretiereinrichtung und eine von den Stellungssignalen gesteuerte und Steuersignale ausgebende Schrittsteuereinheit zum Ein- und Ausschalten der Steuereinrichtung und der Arretiereinrichtung auf; die Stellungssignale und die Steuersignale werden der Steuereinrichtung derart zugeführt, daß für die Zeitdauer der Ausführung einer in der Schrittsteuereinheit vorgebbaren Anzahl gleicher Schritte von l/m der Ständerpolteilung die Steuereinrichtung eingeschal-
tet und beim letzten Schritt auf die Arretiereinrichtung umgeschaltet wird.
Nachteilig ist bei dieser bekannten Steuerschaltung für einen Schrittmotor, daß sein Rotor und damit seine Welle von Hand nur in eine von wenigen, zur Verfugung stehenden Gleichgewichtslagen gedreht werden kann. Dabei hängt die Zahl der Gleichgewicntslagen von der Verbindung der erregten Phasen ab. So stehen beispielsweise bei einem Dreiphasenmotor, bei dem der Winkel zwischen benachbarten Schritten 15° beüägt, jeweils eine Gleichgewichtslage für einen Drehwinkel von 45° der Welle zur Verfügung. Mit anderen Worten gibt es also pro Umdrehung der Welle nur vier Gleichgewichtslagen für jede Verbindung der erregten Motorphasen, obwohl für jede ganze Umdrehung der Welle 24 Schritte erforderlich sind.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die bekannte Steuerschaltung für einen Schrittmotor mit mehreren Ständefwicklungen und mit einem reaktiven Rotor der angegebenen Gattung derart weiterzubilden, daß der Rotoi· von Hand in im Schrittbetrieb auftretende Positionen einsteübar ist
Diese Aufgabe wir«! erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Tei· des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst
Zweckmäßige Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen zusammengestellt
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen insbesondre darauf, daß auch ohne Betätigung der Steuereinrichtung, d. h. im eigentlichen Ruhezustand des Schrittmotors, sein Rotor und damit seine Welle von Hand gedreht und in bestimmten Winkellagen fixiert werden können, indem mittels der Arretiereinrichtung Steuersignale erzeugt werden, die der manuell eingestellten Lage des Rotors entsprechen.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 eine Dlrstellung des photoelektrischen Fühlers,
F i g. 2 ein Blockschaltbild einer Steuerschaltung für einen Dreiphasen-Schrittmotor,
F i g. 3 ein detailliertes, elektrisches Schaltbild der Steuerschaltung nach F i g. 2,
Fig.4 ein Zeit-Steuerdiagramm der Drehung der Welle bzw. des Rotors des Schrittmotors in Richtung gegen den Uhrzeigersinn bei der Steuerschaltung nach den F i g. 2 und 3,
F i g. 5 eine F i g. 4 ähnelnde Darstellung der Drehung der Welle bzw. des Rotors in Richtung des Uhrzeigersinns,
F i g. 6 ein Zeit-Steuerdiagramm der Erzeugung der Steuersignale während einer Drehung in Richtung gegen den Uhrzeigersinn,
F i g. 7 eine F i g. 6 ähnelnde Darstellung der Drehung in Richtung des Uhrzeigersinns,
F i g. 8 ein Zeit-Steuerdiagramm der Zweiphasen-Erregung eines Vierphasen-Schrittmotors bei einer Drehung in Richtung gegen den Uhrzeigersinn,
F i g. 9 eine F i g. 8 ähnelnde Darstellung der Drehung in Richtung des Uhrzeigersinns und
Fig. 10ein Zeitsteuerdiagramm der Einphasen-Erregung eines Vierphasen-Schrittmotors bei einer Drehung in Richtung gegen den Uhrzeigersinn.
Die aus Fig. 2 ersichtliche, allgemein durch das Bezugszeichen 11 angedeutete Steuerschaltung für einen Schrittmotor mit einem reaktiven Rotor und mit m Steuerwicklungen weist einen photoelektrischen Fühler 12 (siehe auch Fig. 1) zur Erzeugung jeweils eines, der Lage des Rotors entsprechenden Stellungssignals für jede Ständerwicklung auf. Dieser photoelektrische Fühler 12 enthält eine Scheibe 13, die durch die Welle 14 eines Mehrphasen-Schrittmotors 16 gedreht wird. Die Scheibe 13 ist in acht Segmente unterteilt, die jeweils einen Winkel von 45° überstreichen. Die im wesentlichen lichtundurchlässige Scheibe 13 weist transparente, Hchtdurchlässige Schlitze 15 auf. Jeweils ein Schlitz 15
ίο befindet sich in einem 45°-Segment, wobei der Schlitz 15 eine Winkelbreite von 22,5° hat; der Rest des Segments wird durch den lichtundurchlässigen Bereich gebildet, der ebenfalls eine Winkelbreite von 22,5° hat
Der photoelektrische Fühler 12 weist ein stationäres Element 17 auf, das in einer vorgegebenen Lage in bezug auf die Scheibe 13 angebracht ist An dem Element 17 sind drei photoelektrische Wandler 18, 19 und 21 angebracht, die Stellungssignale Lu Z.2 bzw. Lz (siehe F i g. 2) erzeugen. Die photoelektrischen Wandler 18,19 und 21 sind relativ zueinander unter Winkeln von 15° auf die aus F i g. 1 ersichtliche Weise befestigt und liefern hohe bzw. niedrige Ausgangssignale, wenn die Schlitze 15 und die lichtundurchlässigen Bereiche der Segmente nacheinander an den Wandlern i», 19 und 2i vorbeigeführt werden.
Die Steuerschaltung 11 weist weiterhin eine Schrittsteuereinheit 22 auf, die einem Steuerungs-Dekodierer 23 Richtungssignale zuführt. Die Schrittsteuereinheit 22 erzeugt außerdem Steuersignale für einen als Steuereinrichtung dienenden Hochleistungsschalter 24 und einen Arretier-Dekodierer 26, der zu einer noch zu erläuternden Arretiereinrichtung gehört.
Der photoelektrische Fühler 12 erzeugt bei einer Drehung der Welle des Schrittmotors 16 die Stellungssignale Li bis L3, die auf einen entsprechenden Verstärker 27 gegeben werden. Dieser Verstärker 27 verstärkt die Stellungssignale L3 bis La und führt sie dem Steuer-Dekodierer 23 und dem Arretier-Dekodierer 26 zu. Die Ausgangssignale des Steuer-Dekodierers 23 werden einem Steuerimpuls-Generator 28 zugeführt, der Zeitsteuerimpulse an die Schrittsteuereinheit 22 anlegt. Die Ausgangssignale des Hochleistungsschalters 24 beaufschlagen eine Ansteuereinheit 29, die Steuersignale für den Schrittmotor 16 erzeugt. Die Ausgangssignale des Arretier-Dekodierers 26 werden schließlich einer Arretier-Steuereinheit 31 zugeführt, die Arretiersignale an den Schrittmotor 16 anlegt, um seine Welle 14 in einer bestimmten Schritt- bzw. Winkellage zu halten.
Unter Bezugnahme auf F i g. 3 wird im folgenden die Schaltungsverbindung der photoelektrischen Wandler 18, 19 und 21 erläutert, wobei die einzelnen Bauteile jeweils mit den Bezugszeichen für alle drei Verbindungsstrecken versehen sind.
Gemäß F i g. 3 weist jeder photoelektrische Wandler 18,19,21 eine lichtemittierende Diode (LED) 32,66,97 auf, deren Katode geerdet und deren Anode über einen Widerstand 33, 67, 98 mit einer +5 V liefernden Spannungsquelle verbunden sind. Der Kollektor eines NPN-Phototransistors 34, 68, 99 liegt ebenfalls an dieser Spannungsquelle, während sein Emitter an den invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 36, G9,101 des Verstärkers 27 angeschlossen ist. Ein Widerstand 37, 71, 102 und ein Kondensator 38, 72, 103 liegen parallel zwischen dem invertierenden Eingang des Operations-Verstärkers 36,69,101 und Erde.
An den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 36,69,101 wird mittels eines Spannungsteilers aus Widerständen 39, 73,104 und 41, 74 und 106, die
zwischen die +5 V liefernde Spannungsquelle und Erde geschaltet sind, eine feste Vorspannung angelegt. Der Verknüpfungspunkt der Widerstände 39,73,104 und 41, 74 und 106 ist mit dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 36,69,101 verbunden. Ein Rückkopplungswiderstand 42, 76, 107 liegt zwischen dem Ausgang und dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 36, 69, 101. Ein Widerstand 43, 77, 108 ist zwischen den Ausgang des Operationsverstärkers 36,69,101 und die +5 V liefernde Spannungsquelle geschaltet.
Der Ausgang des Operationsverstärkers 36, 69, 101 ist über einen Inverter 44, 78, 109 mit einem Eingang eines Exklusiv-ODF.R-GIiedes 46. 79, Ul des Dekodierers 23 verbunden. Das Richtungssignal wird von der Schrittsteuereinheit an den anderen Eingang des Exklusiv-ODER-Gliedes 46, 79, Ul angelegt. Am Ausgang des Exklusiv-ODER-Gliedes 46, 79,111 entsteht ein Signal a, b, c, das auf den Eingang eines NAND-Gliedes
47, 81, 112 des Hochleistungsschalters 24 geführt wird. Das Ansteuersignal von der Schrittsteuereinheit 22 wird auf einen anderen Eingang des NAND-Gliedes 47, 81, 112 gegeben, dessen Ausgang über einen Widerstand
48, 82, 113 mit der Basis eines PNP-Transistors 49, 83, 114 der Ansteuereinheit 29 verbunden ist
Der Emitter des Transistors 49, 83, 114 ist an die + 5V liefernde Spannungsquelle angeschlossen. Ein Vorwiderstand 51, 84, 115 liegt zwischen dem Emitter und der Basis des Transistors 49,83,114. Der Kollektor des Transistors 49,83,114 ist über einen Eingangswiderstand 52, 86, 116 mit der Basis eines NPN-Transistors 53, 87, 117 verbunden. Der Emitter des NPN-Transistors 53, 87,117 ist an die Basis eines NPN-Transistors 54,88,118 angeschlossen, dessen Emitter wiederum mit einer —15 V liefernden Spannungsquelle verbunden ist Die Kollektoren der Transistoren 53,87,117 und 54,88, 118 sind zusammengeschaltet und bilden einen Darlington-Verstärker. Der Kollektor des Transistors 54, 88, 118 ist über die Wicklung 56 der Phase 1 (Φ), 2 (#2), 3 (03) des Schrittmotors 16 mit einer +15 V liefernden Spannungsquelle verbunden. Der Kollektor des Transistors 54,88,118 ist an die Anode einer Diode 57,91,121 angeschlossen, deren Katode über einen Widerstand 58, 89,119 mit der +15 V liefernden Spannungsquelle verbunden ist
Das Steuersignal von der Schrittsteuereinheit 2 wird über einen Inverter 59 an einen Eingang eines NAND-Gliedes 61, 92, 122 des Dekodierers 26 angelegt. Der Ausgang des NAND-Gliedes 69, 92, 122 ist über ein NOR-Glied 62.. 93.123 der Arretier-Steuereinheit 31 mit Katoden einer Diode 63,94,124 verbunden, deren Anode über einen Widerstand 64,96,126 an den Kollektor des Transistors 54, 88, 118 angeschlossen ist Der Ausgang des NAND-Gliedes 61,92,122 ist mit zwei invertierenden Eingängen des NOR-Gliedes 62,93,123 verbunden, das als Treiberstufe arbeitet
Die Ausgänge der Inverter 44,78,109 sind direkt mit den Eingängen der NAND-Glieder 122,92,61 und über einen Inverter 127, 128, 129 mit den Eingängen der NAND-Glieder 92,122,61 verbunden.
Die Signale a und b, die an den Ausgängen der Exklusiv-ODER-Glieder 64 und 69 entstehen, werden auf die entsprechenden Eingänge eines Exklusiv-ODER-Gliedes 131 des Impulsgenerators 28 gegeben. Das Ausgangssignal d des Exklusiv-ODER-Gliedes 131 wird an einen Eingang eines weiteren Exklusiv-ODER-Gliedes 132 angelegt Das am Ausgang des Exklusiv-ODER-Gliedes 111 entstehende Signal c wird auf den anderen Eingang des Exklusiv-ODER-Gliedes 132 geführt. Die Zeit-Steuerimpulse, die am Ausgang des Exklusiv-ODER-Gliedes 132 erzeugt werden, werden der Schrittsteuereinheit 22 zugeführt.
■> Details des photoelektrischen Fühlers 12 werden in der japanischen Patentanmeldung Nr. 49-65183, die unter der Nummer 51-4518 offengelegt wurde, beschrieben; dabei beträgt der Anteil der transparenten Schlitzflächen der Scheibe 13
3: [(3 χ Anzahl der Motorphasen)—3].
Die Winkelbreite jedes Segments ist gleich der Zahl der Phasen des Schrittmotors mal der Winkelbreite zwisehen benachbarten Schritten. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Schrittmotor 16 ein Dreiphasen-Motor, der Winkel zwischen benachbarten Schritten beträgt 15°. Die Breite jedes Segments ist 45°, und der Anteil der transparenten Bereiche ist 1 :2. Infolgedessen hat jeder transparente Schlitz 15 der Scheibe 13 eine Breite von 22,5°, und jede lichtundurchlässige Fläche zwischen transparenten Schlitzen 15 hat eine Breite von 22,5°. Damit sind die Stellungssignale L\ bis Lz symmetrisch, d. h. ihre logisch hohen Bereiche haben dieselbe Dauer wie ihre logisch niedrigen Bereiche.
Da die transparenten Schlitze 15 in Abständen von 22,5° und die Wandler 18,19 und 21 in Abständen von 15° angeordnet werden, sind die Stellungssignale L\ bis Lj relativ zueinander um 15° phasenverschoben, nämlieh um den Winkel zwischen den am Umfang in gleichen Abständen voneinander angeordneten Motorwellen-Schrittstellungen.
Die Wandler 18, 19 und 21 haben die gleiche Funktionsweise. Die Scheibe 13 wird zwischen den LED 32, 66 und 97 und den Phototransistoren 34, 68 und 99 gedreht so daß diese abwechselnd von den transparenten Schlitzen freigegeben und durch die lichtundurchlässigen Bereiche zwischen den transparenten Schlitzen 15 abgedeckt werden. Wenn beispielsweise der Phototransistor 34 durch einen transparenten Schlitz 15 freigegeben wird, macht das Licht von der LED 32 den Phototransistor 34 leitend. Auf diese Weise wird der Phototransistor 34 angeschaltet und verbindet die + 5 V Spannungsquelle mit dem Eingang des Operationsverstärkers 36, der als invertierender Verstärker geschaltet ist und entsprechend dem hohen Eingangssignal ein niedriges Ausgangssignal abgibt Dieses Ausgangssignal wird durch den Inverter 44 umgekehrt und dadurch ein hohes Stellungssignal L\ erzeugt
so Wenn der Phototransistor 34 durch einen lichtundurchlässigen Bereich der Scheibe 13 abgedeckt ist, wird er abgeschaltet Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 36 wird niedrig infolge der Verbindung mit Erdpotential über den Widerstand 37, und das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 36 wird hoch. Dieses hohe Ausgangssignal wird durch den Inverter 44 umgekehrt und ein niedriges Stellungssignal L\ erzeugt, das dieselbe logische Bedeutung wie das Signal L, jedoch eine andere Amplitude hat Die Arbeitsweise ist bei den Wandlern 19 und 21 und den ihnen zugeordneten Bauelementen dieselbe.
Die Stellungssignale L\ bis L% werden dazu verwendet, um die Welle 14 durch elektrische Erregung des Schrittmotors 16 aus der augenblicklichen Ist- in eine neue gewählte Schrittlage zu drehen. Die Stellungssignale L\ bis L3 dienen auch dazu, die Welle 14 durch Erregen des Motors 14 in der augenblicklichen Schrittlage zu halten. Wenn die Bedienungsperson eine nicht
dargestellte, mit der Welle 14 verbundene Walze von Hand drehen will, liefert die Steuerschaltung 11 eine elektrische Arretierung bei jeder Wellenlage und hält die Welle 14 in der Schrittlage, in die sie von der Bedienungsperson gedreht wurde. Dies wird durch Dekodieren der Stellungssignale L\ bis Lz, die die momentane Wellenschrittlage definieren, so wie durch Erregen der entsprechenden Wicklungen 56,89 und 119 erreicht, die die Welle in der momentanen Stellung halten. Selbstverständlich läßt sich die Welle 14 von Hand entgegen der Kraft des Motors 16 drehen.
In F i g. 4 ist die Arbeitsweise der Steuerschaltung 11 bei einer Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn dargestellt. Das Richtungssignal ist niedrig und wird an die Exklusiv-ODER-Glieder 46,79,111 angelegt, welche als nichtinvertierende Puffer arbeiten und die Ausgangssignale der Inverter 44,78 und 109 unverändert durchlassen. Das Steuersignal wird hoch, um die Welle 14 zu drehen. Das hohe Ansteuersignal gibt die UND-Glieder 47,81 und 112 und dadurch auch die Hochleistungs-Ansteuereinheit 23 über den Schalter 24 frei. Das invertierte Ansteuersignal sperrt die NAND-Glieder 61, 92 und 122 und dadurch den Arretier-Dekodierer26.
Obwohl die Schrittsteuereinheit 22 nicht im einzelnen dargestellt ist, weist sie einen Zähler auf, der durch die Zahl der Schritte gesetzt wird, um die die Welle 14 gedreht werden soll. Jedesmal, wenn die Welle 14 um einen Schritt gedreht wird, gibt der Generator 28 einen Zeitsteuerimpuls ab, welcher der Einheit 22 zugeführt wird, um den Zähler zu dekrementieren. Wenn die Welle 14 die gewünschte Schrittlänge erreicht hat und der Zähler auf Null dekrementiert ist, macht die Schrittsteuereinheit 22 das Ansteuersignal niedrig, um die Drehbewegung der Welle 14 anzuhalten und den Arretier-Dekodierer 26 freizugeben, wie aus der weiteren Beschreibung verständlich wird.
Gemäß F i g. 4, in welcher die Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn veranschaulicht ist, wird zu dem Zeitpunkt, zu welchem das Ansteuersignal hoch wird, die Motorwelle 14 durch Erregen der Wicklung 56 (der Phase 1) des Motors 16 in einer bestimmten Stellung gehalten. Bevor das Ansteuersignal hoch wird, gibt das niedrige Ansteuersignal die UND-Glieder 6i, 92 und 122 frei. Da die Stellungssignale L\ bis Lz dieselbe logische Bedeutung haben, bezieht sich die folgende Beschreibung nur auf die Signale L\ bis L^. Das Signal L^ ist hoch und das Signal Lz ist niedrig (die Umkehrung 7Γ5 des Signals Li ist hoch). Infolgedessen gibt das NAND-Glied 61 ein niedriges Ausgangssignal ab, welches die Wicklung 56 über das ODER-Glied 62, die Diode 63 und den Widerstand 64 erregt Eine Drehung der Weiie ί 4 aus der Gleichgewichtslage führt zu der Erzeugung eines Vorwärts- oder Rückwärtsdrehmoments durch den Motor 16, wodurch die Welle 14 zurück in die Gleichgewichtslage gebracht wird. Die Ausgangssignale der UND-Glieder 92 und 122 sind hoch, so daß die Wicklungen 89 und 119 nicht erregt werden.
Wenn das Ansteuersignal hoch wird, wird das UND-Glied 61 gesperrt und gibt ein hohes Ausgangssignal ab, was keine Wirkung auf die Wicklung 56 hat Das Stellungssignal Li ist hoch; dadurch gibt das NAND-Glied 81 ein niedriges Ausgangssignal ab. Die Ausgangssignale der NAND-Glieder 47 und 112 werden hoch und haben keine Wirkung auf den Motor 16. Das niedrige Ausgangssignal des NAND-Gliedes 81 schaltet den Transistor 83 an, wodurch die Transistoren 87 und 88 angeschaltet werden. Hierdurch wird dann die Wicklung 89 (die Phase 2) des Motors 16 über den Transistor 88 erregt. Die Wicklung 89 ist bei dieser Funktionsweise zwischen die —15-V-unddie +15-V-Spannungsquellen geschaltet und wird mit höherer Energie erregt, als wenn sie über das NOR-Glied 93 geerdet ist, was während einer Arretierung der Fall ist. Infolgedessen wird der Motor i6 bei der Drehung der Welle mit höherer Energie erregt als bei der Arretierung der Welle 14 in einer vorgegebenen Stellung nach dem linde der Drehung.
ίο Durch Erregung der Phase 2 des Motors 16 wird die Welle 14 entgegen dem Uhrzeigersinn zu der nächsten Schrittlage gedreht. Nachdem sich die Welle 14 um 7,5° gedreht hat, wird außer dem Signal L2 das Stellungssignal Lz hoch. Hierdurch wird das Ausgangssignal des NAND-Gliedes 112 hoch und erregt die Wicklung 119 (Phase 3) des Motors 19. Zu diesem Zeitpunkt sind also beide Wicklungen 89 und 119 erregt. Hierdurch dreht sich die Welle 14 noch weiter entgegen dem Uhrzeigersinn.
Nachdem sich die Welle 14 um weitere 7,5° (insgesamt um einen Schritt) gedreht hat, wird das Signal Li niedrig und nur das Signal Lz ist hoch. Hierdurch wird das Ausgangssignal des NAND-Gliedes 81 hoch und die Wicklung 89 entregt Folglich ist nur die Wicklung 119 (Phase 3) erregt.
Bei einer Drehung der Welle 14 um weitere 7,5° wird das Signal L\ hoch. Das Ausgangssignal des NAND-Gliedes 47 wird niedrig, um die Wicklung 56 (Phase 1) außer der Wicklung 119 (Phase 3) zu erregen. Durch diese Vorgänge wird die Welle 14 fortlaufend entgegen dem Uhrzeigersinn in Richtung auf eine Gleichgewichtslage gedreht.
Bei einer weiteren Drehung der Welle 14 um 7,5° wird das Signal Lz niedrig und sperrt das NAND-Glied 112, wodurch die Wicklung 119 (Phase 3) entregt wird. Zu diesem Zeitpunkt ist dann nur die Wicklung 56 (Phase 1) erregt und die Welle 14 bewegt sich in Richtung auf die Ausgewählte Schrittlage A, in welcher die Welle 14 bei erregter Wicklung 56 (Phase 1) gehalten wird. Wenn die Welle 14 die Stellung E erreicht, die im Uhrzeigersinn 7,5° von der Stellung A entfernt ist, wird durch die Einheit 22 das Ansteuersignal hoch. Dieses sperrt die Hochleistungs-Ansteuereinheit 39, indem die NAND-Glieder 47,81 und 112 gesperrt werden. Das hohe Ausgangssignal des Inverters 59 gibt die NAND-Glieder61, 92 und 122 frei.
In der Stellung A, in welcher das Ansteuersignal niedrig ist, sind die Signale L\ und L2 hoch und das Signal Lz ist niedrig. Infolgedessen wird das Ausgangssignal des NAND-Gliedes 61 niedrig, um die Wicklung (Phase 1) des Motors 16 zu erregen und die Welle 14 in der Stellung A zu halien. Selbstverständlich hat sich im vorliegenden Fall die Welle 14 um 45° (3 Schritte) aus ihrer Gleichgewichtslage bei erregter Wicklung 56 entgegen dem Uhrzeigersinn in die benachbarte Gleichgewichtslage gedreht
Wenn die Bedienungsperson die Welle 14 manuell etwas entgegen dem Uhrzeigersinn aus der Stellung A dreht übt der Motor 16 ein umgekehrtes Rückführdrehmoment auf die Welle 14 aus, wodurch diese im Uhrzeigersinn zurück in die Stellung A gebracht wird. Wenn dagegen die Welle 14 von Hand im Uhrzeigersinn gedreht wird, übt der Motor 16 ein Vorwärtsdrehmoment auf die Welle 14 aus, wodurch diese entgegen dem Uhrzeigersinn zurück in die Stellung A gebracht wird. Infolgedessen wird die Welle 14 elektrisch in einer arretierten Lage gehalten. Wenn jedoch die Bedienungsperson die Weile 14 entgegen dem Uhrzeigersinn von Hand in
ίο
die nächste mit C bezeichnete Stellung dreht, wird das Signal Li in der Lage B hoch, welche entgegen dem Uhrzeigersinn 7,5° von der Lage A entfernt ist. Da das Signal L\ niedrig und das Signal Li hoch sind, wird das Ausgangssignal des NAND-Gliedes 61 hoch und das Ausgangssignal des NAND-Gliedes 92 niedrig, um dadurch die Wicklung 56 (Phase 1) zu entregen und die Wicklung 89 (Phase 2) zu erregen. Hierdurch wird die Welle 14 in der Stellung C gehalten, die bei erregter Wicklung 89 (Phase 2) eine Gleichgewichtslage ist.
Wenn dagegen die Bedienungsperson die Welle 14 im Uhrzeigersinn an der Lage E vorbeidreht, wird das Signal Lt. niedrig. Hierdurch wird das Ausgangssignal des NAND-Gliedes 61 hoch und die Wicklung 56 (Phase 1) entregt. Das Ausgangssigna! des NAND-Gliedes 122 wird niedrig, wodurch die Wicklung 119 (Phase 3) erregt wird. Auf diese Weise wird also die Welle 14 in einer Lage F gehalten, welche im Uhrzeigersinn 15° (einen Schritt) von der Stellung A entfernt ist.
Wenn das Richtungssignal niedrig ist, arbeiten die Exklusiv-ODER-Glieder 46, 79 und 111 als nichtinvertierende Puffer und lassen die Signale von den Invertern 44,78 und 119 unverändert zu den NAND-Gliedern 47, 81 und 112 durch. Wie im einzelnen unten noch beschrieben wird, arbeiten jedoch die Exklusiv-ODER-Glieder 46,79 und 111 als Inverter, wenn das Richtungssignal bei einer Drehung im Uhrzeigersinn hoch ist. Wie bei einer Prüfung der Eingangssignale der NAND-Glieder 61, 92 und 122 festgestellt werden kann, ergeben sich folgende Haltebedingungen der Motorphasen der Schaltung 11
L2 · Σ) = Arretierphase 1
~ü\ ■ Lz =- Arretierphase 2
L] ■ L~2 = Arretierphase 3
Diese Bedingungen sind eindeutig und werden nicht davon beeinflußt, ob die Welle im oder entgegen dem Uhrzeigersinn in eine bestimmte Schrittstcllung gedreht wurde. Das heißt, das Steuersignal hat keine Wirkung, wenn die Hochleistungs-Ansteuereinheit 29 gesperrt ist und die Arretier-Steuereinheit 31 freigegeben ist. Die obigen logischen Vereinbarungen sind beispielsweise für die Stellung C in F i g. 4 getroffen worden, in welcher das Signal L\ niedrig ist, das Signal /.2 sich im Übergang zwischen hoch und niedrig befindet und das Signal Li niedrig ist Die Signale Li und L3 ändern sich nicht im Bereich zwischen den Lagen B und D. Da das Signal L1 niedrig ist, ist das Signal IT hoch. Durch diese Bedingung in Verbindung mit dem hohen Signal Ly wird das Ausgangssigna! des NAND-Gliedes 92 niedrig und die Wicklung 89 (Phase 2) erregt, um die Motorwelle 14 in der stabilen, durch die Phase 2 erregten Lage C zu halten.
Die entsprechende Arbeitsweise für eine Drehung im Uhrzeigersinn ist aus F i g. 5 ersichtlich und soll nicht nochmals erläutert werden.
In Fig.6 ist dargestellt, wie die Zeitsteuerimpulse von dem Generator 28 erzeugt werden. Der Zähler in der Einheit 22 wird durch die (abfallenden) Rückflanken der Zeitsteuerimpulse dekrementiert Wie in F i g. 4 und 5 dargestellt, wird das Ansteuersignal entsprechend der abfallenden Flanke des Zeitsteuerimpulses niedrig gemacht, die 73° vor der neuen Schrittlage auftritt
Für eine Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn sind die Signale a, b und c identisch mit den Signalen L\ bis Li und logisch äquivalent mit den Signalen L\ bis Li da das Richtungssignal niedrig ist. Wenn zu diesem Zeitpunkt das Ansteuersignal hoch ist, werden das Signal a niedrig, das Signal b hoch und das Signal c niedrig. Da die Signale a und b verschieden sind, ist das Aii5gr.r.~ssignal des Exklusiv-ODER-Gliedes 131, welches das Signal d bildet, hoch. Da die Signale c und d verschieden sind, ist das Ausgangssignal des Exklusiv-ODER-Gliedes 132, das den Zeitsteuerimpuls bildet, hoch.
Nachdem sich die Welle 14 um 7,5° gedreht hat, wird das Signal c hoch. Wenn die beiden Eingangssignale des Exklusiv-ODER-Gliedes i..<i .lunmehr gleichzeitig hoch sind, wird dessen Ausgangssignal, der den Zeitsteuerim-
!5 puls darstellt, niedrig. Nach einer weiteren Drehung von 7,5° wird das Signal b niedrig. Da die Eingangssignale des Exklusiv-ODER-Gliedes 131 nunmehr gleich sind, wird dessen Ausgangssignal, welches das Signal d darstellt, niedrig. Da die Signale c und d nunmehr verschieden sind, wird der Zeitsteuerimpuls hoch. Nach einer weiteren Drehung von 7,5° wird das Signal a hoch, wodurch das Signal d hoch wird. Da die Signale c und d nunmehr gleich sind, wird der Zeitsteuerimpuls niedrig. Nach einer weiteren Drehung von 7,5° wird das Signal cniedrig. Da die Signale eund dnunmehr versc! Joden sind, wird der Zeitsteuerimpuls hoch. Nach einer weiteren Drehung von 7,5° wird das Signal b hoch, wodurch das Signal d niedrig wird, da die Signale a und b nunmehr gleich sind. Da die beiden Signale c und d niedrig sind, wird der Zeitsteuerimpuls niedrig. Nach einer weiteren Drehung von 7,5° wird das Signal a niedrig. Da die Signale a und b nunmehr verschieden sind, wird das Signal d hoch. Da die Signale c und d verschieden sind, wird der Zeitsteuerimpuls hoch. Nach einer weiteren Drehung von 7,5° wird das Signal c hoch. Da die Signale c und d nunmehr gleich sind, wird der Zeitsteuerimpuls niedrig.
Nach einer weiteren Drehung um 7.5° wird das Signal b niedrig. Da die Signale a und b gleich sind, wird das Signal d niedrig. Da die Signale c und d verschieden sind, wird das Zeitsteuersigna! hoch. Nach einer weiteren Drehung von 7,5° wird das Signal a hoch. Da die Signale a und b nunmehr verschieden sind, wird das Signal d hoch. Da die Signale c und d gleich sind, wird der Zeit-Steuerimpuls niedrig. Obwohl es nicht dargestellt ist, wird diese Arbeitsweise aufrechterhalten, so daß ein Zeitsteuerimpuls für jeden Schritt von 15° der Welle 14 entgegen dem Uhrzeigersinn erzeugt wird.
In F i g. 7 ist die Erzeugung der Zeitsteuerimpulse bei einer Drehung im Uhrzeigersinn dargestellt Dies beruht auf dem gleichen Prinzip wie bei der Drehung gegen den Uhrzeigersinn (siehe F i g. 6), so daß es nicht nochmals beschrieben werden soll. In F i g. 8 ist ein Beispiel eines Systems dargestellt, bei dem gleichzeitig zwei Phasen eines Vierphasenmotors erregt werden. Der photoelektrische Fühler zur Erzeugung der Stellungssignale (nicht dargestellt) weist vier Wandler, und zwar einen für jede Motorphase, auf welche in einem Winkelabstand voneinander angeordnet sind, welcher gleich dem Winkel zwischen benachbarten Motorwellenschritten ist Die Stellungssignale sind mit L\ bis L4 bezeichnet Wie in der vorbeschriebenen Ausführungsform entsprechen die Phasen, die zum Drehen der Welle 14 erregt werden, den Signalen L\ bis L4, welche logisch hoch sind. Die Welle 14 soll sich in einer
Gleichgewichtslage befinden, in der die Phasen 2 und 3 zum Arretieren der Welle 14 erregt sind. Die Haltebedingungen sind folgende:
L2 ■ L3 = Arretierphasen 1 und 2 La · La = Arretierphasen 2 und 3
La ■ L\ = Arretierphasen 3 und 4
L\ ■ L2 = Arretierphasen 4 und 1
Beim Drehen der Welle 14 werden die Phasen 3 und 4 rnfangs erregt, da die Signale L3 und La hoch sind. Nach einer Drehung um einen halben Schritt werden das Signal Lz niedrig und das Signal L\ hoch, um die Phasen 4 und 1 zu erregen. Nach einer Drehung um einen weiteren Schritt werden das Signal L2 hoch und das Signal L4 niedrig, urn die Phasen 1 und 2 zu erregen. Nach einer Drehung um einen weiteren Schritt werden das Signal L\ niedrig und das Signal L3 hoch, um die Phasen 2 und 3 zu erregen. Zu diesem Zeitpunkt wird jedoch, wie bei L angezeigt ist, das Ansteuersignal niedrig, um die Welle 14 anzuhalten und von Ansteuern auf Arretieren zu schalten. Die Signale L2 und Z.3 sind hoch, so daß die Phasen 2 und 3 durch die Ansteuereinrichtung nicht erregt werden, die entsprechend dem niedrigen Ansteuersignal gesperrt ist; die Phasen 1 und 2 werden mittels der Arretiereinrichtung erregt gehalten. Dies stimmt mit den oben angeführten Arretierbedingungen überein. Infolgedessen wird die Welle 14 in eine Stellung M gedreht und in dieser Stellung bei erregten Phasen 1 und 2 gehalten.
Wenn die Welle 14 von Hand entgegen dem Uhrzeigersinn um mehr als einen halben Schritt an einer Stellung N vorbei gedreht wird, werden die Signale L3 und La hoch, um die Phasen 2 und 3 zu erregen und die Welle 14 in einer Stellung 0 zu halten, welche entgegen dem Uhrzeigersinn einen Schritt von der Stellung Mentfernt ist. Wenn umgekehrt die Welle 14 von Hand im Uhrzeigersinn um mehr als einen halben Schritt an einer Stellung L vorbeigedreht wird, werden die Signale L, und L2 hoch, um die Phasen 4 und 1 zu erregen und die Welle 14 in einer Stellung P zu halten, welche im Uhrzeigersinn einen Schritt von der Stellung Mentfernt ist. Das Ergebnis der in F i g. 8 dargestellten Arbeitsweise besteht darin, die Welle 14 entgegen dem Uhrzeigersinn um drei Schritte zu drehen und sie in der neuen Stellung zu halten. La
In F i g. 9 ist eine Drehung im Uhrzeigersinn aus einer L\
Stellung dargestellt in welcher die Phasen 4 und 3 zum L2
Arretieren erregt sind. Da das Ansteuersignal hoch ist, L3
werden die Signale L\ bis L4 durch Exklusiv-ODER-Glieder invertiert, die in ihrer Arbeitsweise den nicht dargestellten Exklusiv-ODER-Güedem entsprechen. Die Phasen, welche zum Drehen der Welle 14 erregt werden, entsprechen den Signalen Li bis L4, welche logisch niedrig sind. Die Welle soll sich in einer Gleichgewichtsstellung befinden, wobei die Phasen 3 und 4 zum Arretieren der Welle 14 erregt sind. Die Haltebedingungen können folgendermaßen beschrieben werden:
Tm · ~L~\ = Arretierphasen 1 und 2 TA - L~2 = Arretierphasen 2 und 3
L~2 - Z3 = Arretierphasen 3 und 4
X3 · TA = Arretierphasen 4 und 1
Zum Drehen der Welle 14 werden die Phasen 2 und 3 anfangs erregt, da die Signale Lt und L4 hoch sind. Nach einer Drehung um einen halben Schritt werden das Signal Li niedrig und das Signal L3 hoch, um Phasen 1 und 2 zu erregen. Nach einer Drehung um einen weiteren Schritt werden das Signal L2 hoch, und das Signal L4 niedrig, um Phasen 1 und 4 zu erregen. Nach einer Drehung um einen weiteren Schritt werden das Signal L3 niedrig und das Signal Li hoch, um Phasen 3 und 4 zu erregen. Zu diesem Zeitpunkt wird jedoch, wie bei Q dargestellt ist, das Ansteuersignal niedrig, um die Welle 14 anzuhalten und von Ansteuern auf Arretieren zu schalten. Die Signale Li und L2 werden hoch, so daß die Phasen 3 und 4 nicht durch die Ansteuereinrichtung erregt werden, die entsprechend dem niedrigen Ansteuersignal gesperrt ist, jedoch werden die Phasen 1 und 2 durch die Arretiereinrichtung erregt gehalten. Dies stimmt mit den oben wiedergegebenen Bedingungen überein. Infolgedessen wird die Welle 14 in eine Stellung gedreht und in dieser gehalten, wobei die Phasen 1 und 4 erregt sind.
Wenn die Welle 14 von Hand entgegen dem Uhrzeigersinn um mehr als einen halben Schritt an der Stellung Q vorbeigedreht wird, werden die Signale L2 und L3 hoch, um Phasen 1 und 2 zu erregen und die Welle 14 in einer Stellung S zu halten, welche einen Schritt entgegen dem Uhrzeigersinn von der Stellung R entfernt ist. Wenn dagegen die Welle 14 im Uhrzeigersinn um mehr als einen halben Schritt an einer Stellung Γ vorbei gedreht wird, werden die Signale Li und L4 hoch, um die Phasen 4 und 3 zu erregen und die Welle 14 in einer Stellung LJ zu halten, welche im Uhrzeigersinn einen Schritt von der Stellung R entfernt ist. Das Ergebnis der in F i g. 8 dargestellten Arbeitsweise besteht darin, daß die Welle 14 um drei Schritte im Uhrzeigersinn gedreht und in der neuen Stellung gehalten wird.
In Fig. 10 ist die Funktionsweise dargestellt, wenn bei einem Vierphasenmotor eine Phase zu einer bestimmten Zeit erregt wird. Der Fühler weist vier Wandler auf, die in einem Winkelabstand voneinander angeordnet sind, der gleich dem Winkelabstand zwischen den Wellenschritten ist, und die Stellungssignale Li bis L4 erzeugen. Infolge der vereinfachten Anordnung ist nur eine Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn dargestellt
Die Motorphasen, welche erregt werden, entsprechen den logisch hohen Stellungssignalen. Die Haltebedingungen sind folgende:
Arretierphase 3
Arretierphase 4
Arretierphase 1
Arretierphase 2
Anfangs ist das Signal Li hoch, und die Phase 4 wird zum Halten der Welle 14 erregt. Wenn das Ansteuersignal hoch gemacht ist wird die Ansteuereinrichtung freigegeben und die Phase 1 zum Antreiben der Welle 14 erregt Nachdem sich die Welle 14 um einen halben Schritt gedreht hat werden das Signal Li niedrig und das Signal L2 hoch. Auf diese Weise wird die Phase 2 erregt
Nach einer Drehung um einen weiteren Schritt werden das Signal 2 niedrig und das Signal L3 hoch, um die Phase 3 zu erregen. Nach einer Drehung um einen weiteren Schritt werden das Signal L3 niedrig und das Signal L4 hoch. Da jedoch das Ansteuersigna] zu diesem Zeitpunkt niedrig ist erregt die Ansteuereinrichtung nun die Phase 4 nicht; statt dessen erregt die Arretiereinrichtung die Phase 3, um die Welle 14 in einer Stellung Vzu halten.
Wenn die Welle 14 entgegen dem Uhrzeigersinn um
einen Schritt aus der Stellung V in eine Stellung W
gedreht wird, wird das Signal L\ hoch, um die Phase 4 zu
erregen und die Welle in der Stellung W zu halten.
Wenn die Welle 14 im Uhrzeigersinn aus der Stellung V
um einen Schritt in eine Stellung X gedreht wird, wird
das Signa! Lz hoch, um die Phase 2 zu erregen, und die
Welle 14 in der Stellung Χτα halten.
Hierzu 8 Blatt Zeichnungen
10
20
25
30
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50
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60

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Steuerschaltung für einen Schrittmotor mit einem reaktiven Rotor und mit m Ständerwicklungen, aufweisend
— eine Steuereinrichtung zur aufeinanderfolgenden Erregung der Ständerwicklungen,
— einen photoelektrischen Fühler zur Erzeugung jeweils eines der Lage des Rotors entsprechenden Steilungssignals für jede Ständerwicklung,
— eine den Rotor durch Erregung einer Ständerwicklung in einer bestimmten Lage haltenden Arretiereinrichtung,
— eine von den Stellungssignalen gesteuerte und Steuersignale ausgebende Schrittsteuereinheit zum Ein- und Ausschalten der Steuereinrichtung und der Arretiereinrichtung, wobei die Stellungssignale und die Steuersignale derart der Steuereinrichtung zugeführt werden, daß für die Zeitdauer der Ausführung einer in der Schrittsteuereinheit vorgebbaren Anzahl gleicher Schritte die Steuereinrichtung eingeschaltet und beim letzten Schritt auf die Arretiereinrichtung umgeschaltet wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
— der photoelektrische Fühler (12) derart ausgebildet ist, daß bei eingeschalteter Steuereinrichtung (24, 29) der Schrittmotor (16) mit Halbschritten oder Vollschritien betreibbar ist, und daß
— die Arretiereinrichtung (26, 31, 63, 64, 94, 96, 124, 126) jeweils ein jeder der m Ständerwicklungen (56,89,119) zugeordnetes logisches Verknüpfungsglied (61,92,122) aufweist,
— wobei jedem logischen Verknüpfungsglied die Steuersignale der Schrittsteuereinheit (22) und wobei das m-te Stellungssignal (L\, Li, Li) dem (m— l)-ten logischen Verknüpfungsglied (122, 61,92) und über einen Inverter (127,128, 129) dem (m—2)-ten logischen Verknüpfungsglied (92, 122, 61) zugeführt ist, so daß die der eingestellten Lage des Rotors (14) zugeordnete Ständerwicklung (56,89,119) erregt ist.
2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
— in der Arretiereinrichtung (26,31; 63,64,94,96, 124, 126) die logischen Verknüpfungsglieder (61, 92, 122) durch NAND-Glieder gebildet werden, deren Ausgänge über NOR-Glieder (62, 93, 123) mit jeweils einer Reihenschaltung aus Diode und Widerstand (63, 64, 94, 96, 124, 126) verbunden sir.d,
— wobei jeweils ein Widerstand (64, 96, 126) in Reihe mit jeweils einer an einem Pol einer Gleichspannungsquelle liegenden Ständerwicklung (56,89,119) geschaltet ist.
3. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
— die Steuersignale aus der Schrittsteuereinheit (22) der Steuereinrichtung (24) direkt und den Verknüpfungsgliedern (61, 92, 122) über einen Inverter (59) zuführbar sind.
DE2908182A 1978-03-02 1979-03-02 Steuerschaltung für einen Schrittmotor mit einem reaktiven Rotor und mit Ständerwicklungen Expired DE2908182C2 (de)

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