DE1816357C3 - Steuerungssystem zum Anlauf und zum Betrieb eines Schrittmotors mit konstanter Geschwindigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Steuerungssystem ίο zum Anlauf und zum Betrieb eines Schrittmotors mit konstanter Geschwindigkeit, enthaltend eine Wicklungsfolge- und Treiberschaltung, die zur Lieferung der Erregerimpulse an die Erregerwicklung anschaltbar ist, eine einen mit dem Motor gekuppelten Impulsgeber enthaltende Rückkopplungseinrichtung, die drehzahlproportionale Rückkopplungssignale liefert, aus denen erste Steuersignale abgeleitet sind, eine Oszillatoren richtung, die einer vorbestimmten Rotor-Betriebsgeschwindigkeit entsprechende zweite Steuersignale er-

zeugt, eine Vergleichseinrichtung, die die Phasenabweichung zwischen den Rückkopplungssignalen und den zweiten Steuersignalen feststellt, eine aus logischen Schaltelementen aufgebaute Schalteinrichtung mit je einem der Anlaufphase und der Betriebsphase des Motors zugeordneten Schaltzustand, wobei der der Anlaufphase zugeordnete Schaltzustand bei von der Vergleichseinrichtung festgestellter Phasenabweichung die Lieferung der ersten Steuersignale an die Wicklungsfolge- und Treiberschaltung unter Sperrung der

zweiten Steuersignale und der dem Betriebslauf zugeordnete Schaltzustand bei von der Vergleichseinrichtung festgestellter Phaseniibereinstimmung die Lieferung der zweiten Steuersignale an die Wicklungsfolge- und Treiberschaltung unter Sperrung der ersten Steuersignale ermöglicht.

Ein derartiges Steuerungssystem ist aus der Fachzeitschrift »Control Engineerung«, Vol. 14, Heft 18, August 1967, Seiten 69 bis 72, bekannt.
Diese Erfindung bezweckt eine Verbesserung des Steuerungssystems für einen Schrittmotor, um nach dessen schnellen Anlauf auf die Betriebsgeschwindigkeit diese in sehr enge Toleranzgrenzen konstant zu halten, um damit eine größere Genauigkeit des Antriebes zu erhalten und neue AnwendungsmögKchkeiten, insbesondere in Geräten und Anlagen der Datenverarbeitung zu erschließen.

Derartige Steuerungssysteme zum Betrieb eines Schrittmotors bewirken in der sogenannten Start- bzw. Anlaufphase eine Selbststeuerung des Motors durch Motorsteuerimpulse, die von Rückkopplungsimpulsen abgeleitet sind. Eine derartige Steuerung beim Motoratilauf bewirkt eine optimal günstige Beschleunigung und damit eine sehr kurze Anlaufzeit des Rotors bis zum Hochlauf auf seine vorbestimmte Betriebsgeschwindigkeil und des damit gekoppelten Antriebselements. In dieser Anlaufphase beschleunigt sich der Motor sehr schnell, beeinflußt durch die von der Rückkopplungseinrichtung abgeleiteten ersten Steuersignale im wesentlichen selbst gesteuert, im geschlossenen Schleil'enbetrieb. Bei Erreichung der vorbestimmten Betriebsgeschwindigkeit des Rotors bzw. der Last erfolgt ein Wechsel in der Steuerung des Motors, indem er nun im gleichmäßigen Betriebslauf mit einer offenen Steuern ngsschleife betrieben wird. Die Motorsteuersignale werden nun von einer Schaltungseinrichtung geliefert, die einen Oszillator enthält, der in einer festen, vorbestimmten Frequenz schwingt. Von den Schwingungen dieses Oszillators werden die für die konstante

Betriebsgeschwindigkeit des Rotors erforderlichen zweiten Motorsteuersignale abgeleitet.

Ein derartiges kombiniertes Steuerungssystem, das eine Rückkopplungseinrichtung und einen Oszillator enthält, ermöglicht eine sehr kurze Anlaufzeit des Motors und eine ziemlich konstante Rotorgeschwindigkeit in der anschließenden Betriebsphase des Motors, je nach den Belastungsfällen. Derartige Steuerungssysteme für Schrittmotoren sind bei vielen Anwendungsfällen in der Steuerungstechnik, bei Regel- oder Servoeinrichtungen gebräuchlich, beispielsweise als Stellantriebe, wo keine extremen Genauigkeitsanforderungen bestehen. Solche, durch ein kombiniertes Steuerungssystem angetriebene Schrittmotoren werden in steigender Anzahl verwendet.

Durch das US-Patent 28 14 769 wurde ein Steuerungssystem für einen durch Taktimpulse erregten Schrittmotor bekannt, das einen Oszillator enthält, der von zwei Rückkopplungskreisen beeinflußt wird. In der französischen Patentschrift 14 34 594 ist eine andere Steuerungseinrichtung für einen Schrittmotor zur Drehzahlregelung dieses Motors beschrieben. Bei diesem bekannten Steuerungssystem wird eine Rückkopplungsspannung, die aus den Ständerwicklungen während der nicht stromführenden Perioden ausgekoppelt wird zur Drehzahlregelung des Motors und zur Veriegelung des Anlaufstromes verwendet.

In dem Fachaufsatz mit dem Titel »Four Ways to Use Feedback with Stepping Motors« der eingangs erwähnten Fachzeitschrift sind mehrere Steuerungssysteme mit Rückkopplungseinrichtungen zum Betrieb von Schrittmotoren beschrieben. Durch diese Veröffentlichung wurde bereits ein kombiniertes Steuerungssystem für einen Schrittmotor bekannt, bei dem während der Anlaufphase des Motors vom Start bis zum Hochlauf auf eine gewünschte Rotorgeschwindigkeit bis zum Beginn des Betriebslaufs die Rückkopplungssignale mit den Signalen vom Oszillator hinsichtlich ihrer Phasenlage stetig miteinander verglichen werden. Bei einer Übereinstimmung der Phasen erfolgt der Übergang der Motorsteuerung vom Rückkopplungsteil, das dem Motoranlauf zugeordnet ist, zum Schaltungsteil, das den Oszillator enthält und dem Betriebslauf zugeordnet ist. Dadurch wird die weitere Einwirkung von ersten Motorsteuerimpulsen, die von Rückkopplungssignalen abgeleitet sind, auf den Motor gesperrt. Beim Lauf des Motors in der Betriebsphase wird der Motor von Erregerimpulsen erregt, die von zweiten Motorsteuersignalen abgeleitet sind und die in einer Oszillatoreinrichtung bzw. einem Signalgenerator erzeugt werden. Während der Motoranlaufphase ist die Einwirkung der von der Oszillatoreinrichtung gelieferten zweiten Motorsteuersignale auf dem Motor blockiert Bei einem solchen bekannten kombinierten Steuerungssystem, welches einen Oszillator oder Taktgenerator zur Lieferung der zweiten Motorsteuersignale enthält, sind im Betriebslauf des Motors die Geschwindigkeitsschwankungen des Rotors wesentlich kleiner als bei anderen bekannten einfachen Steuerungssystemen. Jedoch ist auch dieses bekannte Steuerungssystem für Schrittmotoren bei einer Anwendung in neuzeitigen Datenverarbeitungsgeräten und -Anlagen noch nicht voll befriedigend, weil es die dort geforderte Genauigkeit im Betriebslauf innerhalb enger Toleranzen noch nicht erfüllt und beispielsweise die durch Belastungsschwankungen oder andere Einwirkungen verursachten Abweichungen in der Drehgeschwindigkeit nicht kurzfristig ausregelt.

Bei den neuzeitigen Datenverarbeitungsanlagen bzw. -Geräten besteht der Programmablauf aus einer Folge von elektrischen und mechanischen Funktionsschritten, die sehr stark voneinander abhängig sind. Um eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit zu erreichen, müssen die mechanischen Funktionen sehr schnell und präzise sein; hierzu zählen auch die Steuerungssysteme für Schrittmotoren. Diese werden in Datenverarbeitungsanlagen bzw. -Geräten zum Transport von Karten oder bandförmigen Informationsträgern, zur Bewegung von Schreib-/Leseköpfen bei plattenförmigen Speichern, oder zum Vorschub von Papier oder von Druckstangen verwendet. Bei diesen Anwendungsfällen wird ein sehr präzises und schnelles Betriebsverhalten des Antriebes erfordert, um die richtige Informationslesung bzw. Darstellung zu erhalten und um Wartezeiten der elektronischen Funktionen zu verringern.

Für den sicheren und zuverlässigen Hochgeschwindigkeitsbetrieb eines Schrittmotors ist es erforderlich, daß die von der Steuerungseinrichtung erzeugten Motorsteuersignale in einer Taktfolge /.u genau bestimmten Taktzeiten erscheinen, um zu vermeiden, daß sich untolerierbare Abweichungen in der Rotorgeschwindigkeit und damit der Positionierung des Antriebselementes ergeben. Derartige Abweichungen können beispielsweise zu Schreib- oder Auslcsefehlern von gespeicherten Informationen führen oder zu einem falschen oder nicht befriedigenden Druckbild bei der Datenausgabe. Die falschen Taktzeiten von an den Motor gelieferten Steuerimpulsen können bewirken, daß der Rotor außer Tritt gerät, stehenbleibt oder seine Richtung ändert. Es ist besonders wichtig, daß bei einem kombinierten Steuerungssystem, wenn die Motorsteuerung von der Anlaufphase in die Betriebsphase des Motors wechselt, keine den Motor erregende Steuerimpulse ausfallen oder zu einer vom Sollwert abweichenden Zeit erscheinen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes

Steuerungssystem zum Anlauf und zum Betrieb eines Schrittmotors mit konstanter Geschwindigkeit zu

schaffen, das die Forderung erfüllt, daß im Betriebslauf des Schrittmotors bei schwankender Belastung oder bei anderen Einflüssen, welche sich nachteilig auf die Genauigkeit des Antriebes auswirken können, die Rotorgeschwindigkeit des Motors innerhalb sehr enger Toleranzgrenzen konstant gehalten wird, um die vorstehend erwähnten Fehler oder Störungen zu vermeiden. Das verbesserte Steuerungssystem soll einfach im Aufbau und so ausgelegt sein, daß bei auftretenden Laständerungen oder anderer Einflüsse der Rotor schnell auf seine Soll-Geschwindigkeit zurückgeführt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Synchronisierungseinrichtung zur Korrektur der Phasenabweichung zwischen (Jen Rückkopplungssignalen und den zweiten Steuersignalen der mit einer vorbestimmten Frequenz frei schwingenden Oszillatoreinrichtung bei der Betriebsphase des Motors durch entsprechende Verstellung der Phasenlage der Schwingungen des Oszillators vorgesehen ist, die aus einer mit dem Steuereingang des Oszillators verbundenen Diskriminator besteht, dessen beide Eingänge mit je einer Torschaltung beschaltet sind, deren Eingänge mit dem Ausgang der ein von den Rückkopplungssignalen abgeleitetes Signal abgebenden Rückkopplungseinrichtung, mit den beiden Ausgängen des das zweite Steuersignal abgebenden, von dem Oszillator gesteuerten binären Ausgangstriggers und mit dem der

Betriebsphase des Motors zugeordneten, ein dem Schaltzustand entsprechendes Signal abgebenden Ausgang der Schalteinrichtung verbunden sind.

Das erfindungsgemäßc Steuerungssystem zum Betrieb eines Schrittmotors ist unkompliziert und dennoch sehr wirkungsvoll, da es den Einsatz von Schrittmotoren bei sehr hohen Betriebsgeschwindigkeiten und verschieden langen Bcwegungsstrcckcn ermöglicht. Der Rotor wird in der Anlaufphase im geschlossenen Schleifenbctrieb selbstgesteuert von rückgekoppelten Stellungsoder Gcschwindigkeitssignalcn, aus denen erste Motorsteuersignale abgeleitet werden, sehr schnell auf seine gewünschte Betriebsgeschwindigkeit beschleunigt. Während dieses Anlaufbctricbcs des Motors wird die Phasenlage eines Oszillators, welcher im Betricbslauf des Motors die zweiten Motorsteuersignale liefert, stetig in Abhängigkeit zu den Rückkopplungssignalen bzw. den ersten Motorsteucrsignalcn neu eingestellt und an diese angepaßt, um sicherzustellen, daß beim Übergang des Motors vom Anlaufbetricb in den Betricbslauf zwischen den ersten und zweiten Motorstcuersignalcn kein Phasensprung auftritt. Dadurch wird ein sicherer Moloranlauf auch in der kritischen Übergangsphasc gewährleistet. Hat der Motor seine Betriebsdrehzahl erreicht, was durch eine Verglcichscinrichtung festgestellt wird, dann veranlaßt diese über eine Schalteinrichtung, daß die Erregung des Motors nicht mehr durch die ersten Motorstcucrsignale erfolgt, welche von den Rückkopplungssignalcn abgeleitet wurden, sondern durch /weite Steuersignale, die eine Oszillnlorcinrichtiing oder ein Taktgenerator erzeugt.

Während dieser Zeit, in der der Motor in der Bclriebsphssc läuft, ist erfindungsgemäß eine mit dem Hingang des Oszillators verbundene Synchronisierung*- einrichtung wirksam, die einen Diskriminator enthält, der die Phasenlage der von der üs/illatorcinrichtung abgeleiteten /weiten Steuersignale und die von der Rückkoppliingscinrichiiing abgeleiteten ersten Steuersignale miteinander vergleicht und der außerdem eine Phasenabweichung dadurch korrigiert, indem er die Phasenlage des Oszillators ändert. Durch die stelige r.inwirkiing tier Rttekkopplungssignulc b/w. der davon abgeleiteten Steuersignale, auf die die Os/illalorcinriehlung beeinflussende Synchronisieriingseinrichtung werden kleinste (icschwindigkcilsubweichungen des Rotors vom Sollwert der Uetricbsgcschwindigkcil erkannt. Die Phasenlage der /weiten Molorsteuersignule wird entsprechend dem Fehler korrigierend nuchgctuhri. wodurch gewährleistet wird, daß der Motor immer /um günstigsten Zeitpunkt erregt wird.

line zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dull die Pluise des frcischwingondcn Oszillators durch die Grolle einer angelegten Steuerspannung einstellbar ist und dall die Schalteinrichtung derart zusätzlich beschultet und mit dem Oszillator verbunden ist, dull die Phuscnluge des Oszillators in der Anlaufphtise des Motors fcslleghnr und in der Heincbsphiisc zur Korrektur der Phuscnluge durch den Diskriminator freigebbur ist.

Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darm, daß der Diskriminntor ousgnngsscitig einen Kondensator enthalt, der mit einer der Phuscnub wcichiing proportionalen l.udespunniing nufludbur ist, dall die den Eingitngcn des Diskriminutors vorgcschal tetcn lorschuliungen erste und zweite UNDSchaltun pen sind, mn Milk· derer der Kondenstor zyklisch uuf und i'Miluilhiit isl

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sleuerungssystems zum Betrieb eines Schrittmotors wird nachstehend anhand von Schaltbildern und einem Impulsdiagramm ausführlicher beschrieben. Von den Zeichnungen 1 bis 4 stellt dar

F i g. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild des Steuerungssystems für einen Schrittmotor,

Fig.2 ein ausführlicheres schcmatischcs Prinzipschaltbild des Blockschaltbildes in Fig. 1 des Steuerungssystems für einen Schrittmotor,

F i g. 3 das ausführliche Schaltbild des in F i g. 2 abgebildeten Schaltungsblocks 24, der die Diskriminatorschaltung und die Oszillatorschaltung enthält,
Fig.4 ein Diagramm mit mehreren Impulskurven in Abhängigkeit der Zeit, zur Darstellung der Zusammenhänge und der Arbeitsweise der Schriumotor-Stcucrschaltung gemäß den Schaltbildern, F i g. 1 und 2.

Im Blockschaltbild Fig. 1 bezeichnet die Bezugszahl 10 allgemein das Steuerungssystem für einen Schritimotor 12, dessen in Phascnwinkeln versetzte Erregerwicklungen 12a und 12b nach dem Anlegen eines Startsignals L/R oder R/L an den Eingang der Steuerungsschaltung 10 eine Drehung des mit einer Anzahl von Zähnen versehenen Rotors 12Λ bewirken, um damit ein Antricbselcmenl schnell und genau in die Zielstellung zu bewegen. Der Schillmotor 12 ist je nach den vorliegenden Betriebserfordernissen, eine an diese angepaßte Ausführungstype, die allgemein handclsüb lieh erhältlich ist.

Gemäß dem Blockschaltbild Fig. 1, werden die Wicklungen 12;i und 12b des Motors 12 von einer bekannten und an die Motortype angepaßten Motortrcibcrschallung 14 erregt, die über eine bekannte Wieklungsfolgcschaltung 16 gesteuert wird. Diese Wicklungsfolgeschaltung 16 enthält, wie dem Fachmann bekannt ist, eine Anordnung von binären Triggern. Mit dem Eingang der Wicklungsfolgeschaltung 16 ist ein Slop-Signalgcnerator 18 verbunden, der beim geforderten Stop des Motors 12 eine sehr schnelle Bremsung des Rotors \2Λ sowie der damit verbundenen Antriebselemente bewirkt und der eine kritisch gedämpfte l.aufbewegung des Rotors 12 in die Zielstcllunf, sicherstellt. Die Wicklungen l2.-i, 12/>des Schrittmotors 12 sind während des Anlaufs des Rotors 12.Λ. in der dieser vom Stillsland bis /u einer vorbestimmten llctrichsgcschwindigkcil beschleunigt wird, im geschlossenen Schleifenbetrieb von Erregerimpulsen erregt, die als erste Motorsteuersignale von Rückkopplungsimpul' sen in einer Uuckkopplungseinrichimnj 22 abgeleitet

werden Diese RUckkkopplungseinrichtung 22 empfang! die Ruckkopplungssignulc von einer bekannten, mil dem Motor 12 bzw. dem Antricbsclcment gekoppelter Impulsgeber 20, welcher einen Abfuhlkopf 20« und eint Impulsscheibe aufweist. Die Ruckkopplungssignulc von

S3 Abfohlkopf 20« gelungen in der Rtlekkopplungscinrieh tung 22 zunilchst in einen Vcrstllrker 30, nn dessei Ausgang sie steh uuf mehrere Leiiungszügc verzweigen wie dies aus dem Schaltbild I i g. 2 zu ersehen isi Gesteuert von der Schalteinrichtung eines Vergleicher

26 im Steuerungssystem 10 ist ein Ausgang de Ruekkopplungseinrichtung 22 in der Anltuifphiise de Motors 12 Ober cine ODER-Ioischnltung 48, der Stop Signalgcnerotor IB und die Wicklungsfolgeschu tung 16 mit der Motor-TrciberschulUing 14 verbündet Kin mit dem zweiten Ausgang der Rückkopplungscii richtung 22 verbundener Schultungsbloek 24 der F i g. enthalt eine phasenvcrricgcllc Oszillator· und Diskrim naiorsihnliung 43, 42 Der im Schultungsbloek 1

enthaltene Oszillator 43 mit dem Ausgangstrigger 45 dient zur Erzeugung der zweiten Motorsteuersignale, welche auf den Motor 12 einwirken, sobald dessen Rotor 12Λ seine Nenngeschwindigkeit, die der Betriebsgeschwindigkeit entspricht, erreicht hat und die Motor-Steuerschaltung 10 von der Anlaufphase in die Betriebsphase umschaltet. Ab diesem Zeitpunkt wird der Oszillator 43 mit dem Ausgangstrigger 45 von der erfindungsgemäßen Synchronisierungseinrichtung, die einen Diskriminator 42 enthält, beeinflußt. to

Wie aus dem ausführlicherem Schaltbild Fig. 2 des Steuerungssystems 10 zu ersehen ist, enthält die Rückkopplungseinrichtung 22 einen Verstärker 30, dessen Ausgang einerseits über die Reihenschaltung eines ersten Inverters 32 und einen ersten Kondensator 33a und andererseits direkt über einen zweiten Kondensator 33Z> mit den beiden Eingängen einer Wechselstrom-ODER-Schaltung 34 verbunden ist, die ausgangsseitig an einen ersten Monoflop 36 angeschlossen ist. Dieser erste Monoflop 36, welcher auch unter der Bezeichnung monostabile Kippschaltung bekannt ist, hat einen Intervall in der Größenordnung 2/3 der Oszillatorfrequcnz und der liefert gleichzeitig ein Eingangssignal auf jeweils einen Eingang der beiden nachgeschaltetcn UND-Schaltungen 38 und 40, deren Ausgänge mit dem Diskriminator 42 im Schaltungsblock 24 verbunden sind. Diese beiden UND-Schaltungen 38 und 40 wirken nur im Betriebslauf des Motors auf den Diskriminator 42 ein, um die Phasenlage des Oszillators 43 zu korrigieren, der ein Bestandteil des im Blockschaltbild, Fig. I, dargestellten phasenvcrriegcltcn Schaltungsblock 24 bildet. Dieser Oszillator 43 steuert in kontinuierlicher Folge einen binären Ausgangstrigger 45, der zum gleichen Schaltungsblock 24 gehört, in eine der beiden Schaltstellungen 1- oder 0. Befindet sich dieser Ausgangstriggcr 45 in seiner 0-Stcllung, dann liefert er an seinem Ausgang clic den Motor erregenden zweiten Motorsteucrsignale über eine UND-Schaltung 46, falls diese aktiviert ist, an die ODER-Schaltung 48. Diese zweiten Motorsteucrsignale gelangen über die aktivierte UND-Schaltung 46 und die damit verbundene ODER-Schaltung 48 über den Stop-Signalgenerator 18 und die Leitung 50 mif die Wicklungsfolgeschaltung 16 und die Motortrciberschaltung 14, wodurch die beiden Molorwicklungen 12,i und 12/j erregt werden. Befindet sich der binllre Ausgangstrigger 45 in seiner I-Schiiltstellung, cliinn gelangt das Signal von seinem I-Ausgiing rückgekoppelt auf den einen Eingang der UND-Schaltung 38, der sein Steuersignal un einen Eingang des Diskriminator 42 liefert. Der zweite Eingang dieses Diskriminator 42 ist t\it dem Ausgang der UND-Schultung 40 verbunden. Diese UND-Schaltung 40 crhult vom 0·Ausgang den Ausgangstriggers 43, der die zweiten Motorstcucrslgna· te erzeugt, ebenfalls ein rückgekoppeltes zweites Steuersignal. Defindet sich der Ausgangsirigger 45 in •einer O-Schaltstellung, dann gelangt das von seinem ©•Ausgang gelieferte Signal außer zur UND-Schaltung 40 auch als zweites Motorstcuersignul auf feinen Eingang der UND-Schaltung 46, deren Leitzustand durch ein Signal einer Schalteinrichtung gesteuert wird, welche aus einem ersten Trigger 32 besteht. Diese Schalteinrichtung - erster Trigger 32 - ist ein bestandteil des Vergleichers 26, und sie ist in ihrem !•Schaltzustand dem Betriebslauf des Motors zugeord· M net, und In Ihrer O-Schaltstellung ist sie der Anlaufphase des Motors zugeordnet. In der Anlaufphase des Motors 12 (Start) gelangen die vom Impulsgeber 20 erzeugten und vom Verstärker 30 gelieferten Rückkopplungsimpulse als erste Steuersignale des Motors über die Leitung 49, die aktivierte UND-Schaltung 47, die ODER-Schaltung 48 über den Stop-Signalgenerator 18 auf die Leitung 50 und steuern über die Wicklungsfolgeschaltung 16 und die Motortrciberschaltung 14 die Beschleunigung des Motors 12. Die den Motoranlauf beschleunigenden Rückkopplungsimpulse gelangen als erste Steuersignale durch die UND-Schaltung 47 zur ODER-Schaltung 48, weil an dem einen Eingang der UND-Schaltung 47 bereits ein Signal vom I-Ausgang des ersten Triggers 52 anliegt. Die Schaltstellung dieses ersten binären Triggers 52 ist ein Kriterium in dem Vergleicher 26, dessen Schaltstellung entweder die Anlaufphase bzw. die Betriebsphase des Motors 12 bestimmt. In seiner Schaltstellung I ist er dem Motoranlauf vom Stillstand bis zu vorbestimmten Soll-Geschwindigkeit, welche dem Betriebslauf entspricht, zugeordnet. In seiner Schaltstellung 0 hingegen bestimmt er den Lauf des Motors 12 in der Betriebsphasc, in welcher die zweiten Motorsteucrsignale wirksam sind.

Der erste Trigger 52 ist an seinem !-Eingang mit einem zweiten Monoflop 54 verbunden, der an diesen ein Setz-Signal liefert, wenn ein Startsignal, beispielsweise von einem nicht dargestellten Endschalter, geliefert wird. Im Schaltbild, Fig.2, ist das Startsignal als ein äußeres Signal L/R oder R/L bezeichnet, das auf einem der beiden Eingänge einer ODER-Schaltung 56 anliegt, deren Ausgangsleitung einerseits zu einem zweiten Monoflop 54 und andererseits zu einem zweiten Inverter 70 führt. Der zweite Monoflop 54 verhindert, daß von außen kommende Prell- oder Störimpulsc die Steuerschaltung 10 nachteilig beeinflussen. Während der Beschleunigung des Rotprs 12 in seiner Anlaufphasc gelangen die Rückkopplungsimpulse von der Wechselstrom-ODER-Schaltung 34 in der Rückkopplungseinrichtung 22 durch cmc vom ersten Trigger 52 aktivierte UND-Schaltung 60 über die Leitung 79 zum Oszillator 43 und zum Ausgangstrigger 45 zwecks Einstellung des Oszillators 43, um dessen Schwingungen mit den Rückkopplungsimpulsen zu synchronisieren, wie dies aus dem Diagramm, Fig.4, ersichtlich ist. Beim Moloranlauf ist die UND-Schaltung 60 durch das vom I-Ausgang des ersten Triggers 52 gelieferte Signal vorbereitet, wenn sich der erste Trigger 52 in seinem !-Schaltzustand (Motoranlauf) befindet.

Die Umschaltung des ersten Triggers 52 von dem Schaltzustand I auf 0, wobei let/ierer der Motorbetricbsphase zugeordnet ist, erfolgt durch ein Ausgangs· signal der aktivierten UND-Schaltung 62, die zum VcrgUrchcr 26 gehört, und die mit dem 0·Eingang de; ersten Triggers 52 verbunden ist. Bei und nach diesel Umschaltung des ersten Triggers 52 wird die Uberira gung der Ruckkopplungssignale bzw. der erster Steuersignale zum Motor 12 gesperrt und die folgender Motnrrcglcrsignalc werden in der Motorbetriebsphase vom Oszillator 43 bzw. dem damit verbundener Ausgangstriggcr 45 über die UND-Schaltung 46 und dk ODER-Schaltung 48 als zweite Motorsleuersignali geliefert. Dieser Wechsel oder Übergang der Steucrcin richtung von der Anlauf- In die Betriebsphase de Motors 12 Ist aus dom Diagramm, FI g. 4, Kurven 6 bi 10, ersichtlich. Dieser Steuerungswechscl erfolgt ml Hilfe des Vergleichen 26, der aus zwei Verriegelung"! schaltern bzw. bistabilen Kippschaltungen besteh Dieser Vcrglclchcr 26 enthalt zwei Kippschaltungen, di aus dem zweiten und dritten Trigger 64, 66 und dei

UND-Schaltungen 62 und 68 gebildet sind. Der Vergleicher 26 stellt als Kriterium fest, wenn der Motor 12 im Bereich seiner Betriebsgeschwindigkeit läuft. Der zweite Trigger 64 wird jeweils durch ein Signal vom Verstärker 30 von der Rückkopplungseinrichtung 22 in seinen Schaltzustand I geschaltet und durch das vom O-Ausgang des Ausgangstriggers 45 im Schaltungsblock 24 gelieferte zweite Steuersignal in seine O-Stellung zurückgeschaltet.

Auch der dritte Trigger 66 wird durch das gleiche zweite Steuersignal vom O-Ausgang des Ausgangstriggers 45 zurückgeschaltet. Der dritte Trigger 66 wird durch eine aktivierte UND-Schaltung 68 in den !-Zustand geschaltet, wenn an den Eingängen dieser UND-Schaltung 68 gleichzeitig ein Signal vom I-Ausgang des zweiten Triggers 64 und ein Ausgangssignal des in der Rückkopplungseinrichtung 22 befindlichen ersten Inverters 32 anliegt. Dieser zweite Inverter 32 empfängt die vom Verstärker 30 produzierten Rückkopplungssignale. Wenn der dritte Trigger 66 durch einen Rückkopplungsimpuls in seine !-Stellung geschaltet wird und nicht durch einen Impuls vom Ausgangstrigger 45 des Oszillators 43 ausgeschaltet wird, bevor der nächste Rückkopplungsinipuls erscheint, zeigt das an, daß der Rotor 12/4 seine vorbestimmte, dem Betriebslauf zugeordnete Nenngeschwindigkeit erreicht hat. Der erste Trigger 52 wird daraufhin durch ein Ausgangssignal der UND-Schaltung 62 in seine O-Stellung zurückgeschaltet, wodurch die beiden UND-Schaltungen 60 und 47 gesperrt werden und die beiden an den O-Ausgang des ersten Triggers 52 angeschlossenen UND-Schaltungen 38 und 40 den Diskriminator 42 im Schaltungsblock 24 aktivieren. Die Ausgangssignale der beiden UND-Schaltungen 38 und 40 können nun auf den Diskriminator 42 einwirken, wobei die dort gebildete Fehlerspannung (Kurve Il — Fig. 4) wiederum den freischwingenden Oszillator 43 beeinflußt und dessen Phasenlage korrigiert. Das vom 0-Ausgang des ersten Triggers 52 gelieferte Signal liegt auch an einem Eingang der UND-Schaltung 46 an, so daß diese aktiviert wird, wenn die /weiten Motorsteuerimpulse vom Ausgangslrigger 45 des Oszillators 43 erscheinen. Diese /weiten Motorstcuerimpulse gelangen über die als Tor dienende ODER-Schaltung 48 zur Wickltingsfolgesehallung 16, wie dies bereits erklärt wurde.

Der Stop des Motors 12 erfolgt, wenn das Startsignal endet, d. h., wenn kein l/R- oder /^//.-Signal mehr an der ODER-Schaltung 56 anliegt. Der mit dem Ausgang der ODER Schaltung 56 verbundener zweiter Inverter 70 S° erzeugt zu diesem Zeitpunkt ein Ausgangssignal, dan den Ausgang der ODER-Schaltung 48 sperrt, wodurch sofort die weitere Lieferung von Motorstcuersignalen un den Motor uufhört. Gleichzeitig mit der Sperrung der ODER-Schaltung 48 für die Motorstcucrsignalc wird an dem mit einem P bezeichneten Eingang des Stop-Si gnulgcnerutors 18 ein Signal ungelegt, dns vom O-Ausgang eines Slop-Signaltrlggcrs 76 geliefert wird. Durch das um Eingung P des Stop-Signulgencrators 18 anliegende Signal erzeugt dieser eine Anzahl von In to einer bestimmten Folge auf der Leitung erscheinender Stop-Impulse, die den Motor schnell bis zum Stillstand bremsen. Das vom zweiten Inverter 70 erzeugte Stop-Slgnal gelangt über einen Widerstand 77 auf den 0·Eingang des Stop-Slgnaltrlggers 76, Beim nächsten ⁶S folgenden Oszillatorimpuls, der vom O-Ausgang des Ausgungstrlggers 45 des Oszillators geliefert wird, steuert dieser über einen Kondensator 78, der mit dem Widerstand 77 und dem Null-Eingang des Stop-Signaltriggers 76 verbunden ist, die Rückstellung dieses Stop-Signaltriggers 76 in den O-Schaltzustand, worauf ein Signal erzeugt wird, das am Eingang P des Stop-Signalgenerators 18 anliegt. Diese Schaltungsanordnung des Widerstandes 77 und des Kondensators 78 bilden eine sogenannte Harper-Torschaltung.

Das Schaltbild Fig.3 zeigt ausführlicher die im Schaltungsblock 24 enthaltenen Stromkreise des Diskriminators 42 und des Oszillators 43. Dieser Oszillator 43 kann z. B. ein transistorisierter Schwingungserzeuger sein, der beispielsweise einen Unijunction-Transistor U) enthält, welcher in Reihe liegend zwischen zwei Widerständen R1 und R 2 angeordnet ist. Der Widerstand R 1 ist dabei an die positive 8,2-Volt-Spannungsquelle angeschlossen, während der andere Widerstand R 2 mit Masse verbunden ist. Zwischen dem Emitter des UJ-Transistors und Masse ist ein Kondensator Cl angeordnet. Das Ausgangssignal dieses Oszillators 43 gelangt über die beiden Transistoren 7"1 und T2 an den einen Stcuereingang des binären Ausgangstriggers 45. Die Rück- bzw. Einstellung dieses Oszillators 43 und des Ausgangstriggers 45 erfolgt durch ein von der UND-Schaltung 60 erzeugtes Signal, das auf der Leitung 79 erscheint. Die beiden im Oszillator 43 zwischen der Leitung 79 und dem Emitter des UJ-Transistors angeordneten Transistoren 7.3 und Γ4 bilden einen Nebenschlußzweig zum Kondensator Cl, der sich über diesen Zweig entladen kann. Durch das Potentiometer P1 und die Größe des Widerstandes R 1 ist es möglich, die Frequenz des Oszillators 43 einzustellen.

Die Steuerung der Phasenlage des Oszillators 43 erfolgt gemäß dem Schallbild. Fig. 3, durch eine über den Transistor 75 an den Oszillator 43 angelegte Spannung, die vom Ausgang des Diskriminator 42 geliefert wird. Am Ausgang des Diskriminator 42 ist ein Kondensator C2 angeordnet, der aufgrund des Ausgangssignals der aktivierten UND-Schaltung 38 und gesteuert durch die Transistoren T6 und Π über eine Diode Dl aurgeladen wird. Diese UND-Schaltung 38 enthüll einen Lasiwiderstand «4 und die Eingangsdioden I)2 bis Ü4. Die UND-Schaltung 40, die den Last widerstund R 5 und die Dioden 1)5 bis Dl enthalt, steuert einen Hntludetrunsisior 7'8, der parallel /um Kondensator C2 angeordnet ist und zur Entladung des Kondensators C2 bei aktivierter UND-Schaltung 40 dient. Die Eingangssignal zur Aktivierungsstcuerung der beiden UND-Schaltungen 38 und 40 kommen einerseits über die Leitung 80 vom O-Ausgang des ersten I riggers 52 und andererseits vom Monoflop 36 über die Leitung 82. Durch die vorstehend beschriebene Diskriminaiorschaltung 42 im Zusammenwirken mit b!, ^bcicL^{en UN}D-Schaltungen 38, 40 erfolgt eine Prüfung bzw. Abtastung der Phasenbeziehungen zwischen den Oszillator- und den Rückkopplungsimpulscn sowie eine Nachführung des Oszillators 43 in der Hiusenlnge in Abhängigkeit von den Betriebsverhülinlsson. denen der Motor 12 ausgesetzt ist.

Ein den Motoranluuf uuslösendes Sturtsignul wird aus den Bffehlssignulen UR oder R/L erhulten, die auf die ODER-Schaltung 56 einwirken und nn dieser ein Ausgangsslgnai erzeugen. Dadurch wird der «weite Bi⁰¹TSP ^{54 uktivler}'- "nd er erzeugt einen In der Γ ι?" " ^Ku-.^{ve 2l} ^gebildeten Sturtlmpuls, der über die Leitung 85. die ODER-Schaltung 48 durch den stop-Slgnnlgenerator 18 uuf die Wicklungsfolgeschal· tung ie zur Motortreiberschultunu 14 aclanat und den

Motor 12 startet. Dieser Startimpuls vom zweiten Monoflop 54 schaltet auch den ersten Trigger 52 auf die Schaltstellung I, die dem Motoranlauf zugeordnet ist. Da durch werden die vorbereiteten UND-Schaltungen 38, 40 und 46 gesperrt und der Diskriminator 42 abgeschaltet. Wenn die UND-Schaltung 46 das O-Ausgangssignal des ersten Triggers 52 nicht mehr erhält, ist sie gesperrt und verhindert die Lieferung der vom O-Ausgang des Ausgangstriggers 45 gelieferten zweiten Steuerimpulse zum Motorantrieb an die ODER-Schaltung 48. Das vom ersten Trigger 52 an seinem 1-Ausgang gelieferte Signal aktiviert zusammen mit den vom Ausgang der ODER-Schaltung 34 gelieferten Rückkopplungsimpulsen die UND-Schaltung 60, deren Ausgangssignal den Oszillator 43 gleichzeitig auf den binären Ausgangstrigger 45 zurückstellt. Die Periode des zweiten Monoflops 54 ist genügend lang, um alle wahrend der Motoranlaufzeil auftretenden Störimpulse zu sperren.

Die durch den Startimpuls eingeleitete Motorbewe gang erzeugt über den Impulsgeber 20<i ein Rückkopplungssignal, das zum Verstärker 30 gelangt. Dieses verstärkte Rückkopplungssignal gelangt dann weiter zu einer Wechselstrom-ODER-Schaltung 34, welche eingangsseitig die beiden Kondensatoren 33 enthält. Diese ODER-Schaltung 34 liefert an ihrem Ausgang von jedem Rückkopplungsimpuls zwei Signale, die jeweils aus den beiden Ranken eines Rückkopplungsimpulses abgeleitet sind. Diese Ausgangssignale der ODER-Schaltung 34 wirken einerseits auf den ersten Monoflop 36 ein, dessen Ausgangssignale einerseits zu den beiden UND-Schaltungen 38 und 40 gelangen, außerdem gelangen andererseits diese auch über den UND-Sehal ter 60 und die Leitung 79 zum Oszillator 43 und dessen Ausgangstrigger 43 zwecks Rückstellung derselben. Um μ den Schrittmotor 12 beim Start zu erregen, gelangen die Rückkopplungsimpulse vom Verstiirker 30 auch als erste Steuerimpulse für den Motorantrieb über eine Leitung 49, UND-Schaltung 47, die ODER-Schaltung 48 sowie den Stop-Signalgcnerator 18, über die Leitung 50 auf die Wicklungsfolge- und Treiberschaltung 16,14 des Motors 12.

Der erste Trigger 52 wird aus seinem I-Schaltimgszustand, der der Anlaufpluise des Motors zugeordnet ist, in den Schaltungszustand 0, der dem Lauf des Motors in der Ik'triebsphase zugeordnet ist, durch einen der vom Verstärker 30 gelieferten Rückkopplungsimpulse zu rückgesclialtei, wenn deren Intervall kürzer ist als die Periode der vom Oszillator 43 erzeugten zweiten Steuersignal« der Oszillutoreinrichiung, welche uuf der Leitung 86 vom 0-Ausgang des Ausgangstriggers 45 erscheinen, Durch diese Umschaltung wird eine weitere Einstellung des Oszilltttors 43 mittels vom Wechselsirom-ODER-Sehulter 34 erzeugter Signale durch die Sperrung der UND-Schaltung 60 verhindert. Weil nun $5 in der Uetriebsphusc des Motors die beiden UND-Schaltungen 60 und 47 sperren, können somit keine Rückkopplungsimpulse mehr un deren Ausgang erscheinen,

In der Vergleiehseinrichlung 26 wird mit Hilfe der aus den zweiten und dritten Triggern 64 und 66 bestehenden Kippschaltungen der Gesehwindigkeitsintervall von den Motorstcuersignalen, die aus den Rückkopplungsimpulscn und der Oszillatoreinrichtung abgeleitet werden, festgestellt. Der zweite und dritte Trigger 64 und 66 werden durch die vom 0-Ausgang des Ausgangstriggers 45 erzeugten zweiten Motorsteuersignalc in die 0-Stellung geschaltet. Durch ein invertiertes Rückkopplungssignal, das der erste Inverter 32 über die UND-Schaltung 68 liefert, wird der dritte Trigger 66 von seinem 0- in den !-Zustand geschaltet, wenn der zweite Trigger 64 von seinem !-Ausgang ein Signal am anderen Eingang der UND-Schaltung 68 erzeugt. Befindet sich somit der zweite Trigger 64 in seinem !-Schaltzustand, dann ermöglicht er auch, daß der dritte Trigger 66 in seinen !-Schaltzustand schallet, vorausgesetzt, daü dieser vorausgehend nicht durch die zweiten Steuersignale des den Oszillator enthaltenden Schaltungsblock 24 in die Null-Stellung zurückgeschaltet wurde. Ist der dritte Trigger 66 durch die Koinzidenz der Rückkopplungsimpulse in seiner 1-Schaltstcllung, dann erzeugt sein !-Ausgang ein Signal, das auf die UND-Schaltung 62 einwirkt und den eisten Trigger 52 zurück in seine 0-Stellung schaltet. In dieser dem Betriebslauf lies Motors 12 zugeordneten Schallstellung wechselt die Steuerung und Erregung des Schrittmotors 12 von den Rückkopplungsimpulsen — deren Lieferung auf die Leitung 50, wie bereits beschrieben gesperrt wird; und die Motorsteuerung erfolgt nun durch die Aiisgangsimpulse der Oszillatoreinrichtung 24, wobei die von ihr erzeugten zweiten Motorsteueiimpulsc zur Wirkung gelangen, wie dies bereits vorstehend beschrieben wurde.

In der Betiiebsphase des Moiois 12 werden zur Steuerung tier den Diskriminator 42 enthaltenden Synchronisicrungseinrichuing von der Riickkopplungseinrichtung 22 Riickkopplungsimpulsc über die Wechselstrom-ODER-Schaltung 14 auf dem ersten Monoflop 36 gegeben, wie ebenfalls vorausgehend beschrieben wurde. Die im eisten Monoflop Vn erzeugten Impulse gelangen zu den beiden UND-Schaltungen 38 und 40, die ihrerseits wiederum den Diskriminator 42 steuern. Der erste Monoflop 36 bcsiimmt die /eilliche Lange der Abtast- bzw. Prüfperiode des Diskriminator 42, der seinerseits wieder die (5 rolle der gespeicherten !•"ehlcrspannung in den Abtast- und llultcschultkrciscn des Diskriminatois42bestimmt, wodurch die Oszillator-Phasenbeziehungen gesteuert werden. Du derOs/illatoi 43 mit der doppelten Taktfrequenz schwingt in Vergleich zu den RUekkopplungssignalcn, lullt sicr durch den Vergleich der Phasen der Oszilhuorsignuli mit den Rückkopplungssignulen eine Korrektur pn halbe Schwingung erreichen. Der Oszillator 43 is spannungsgesteuert und bezüglich der Phasenbczic hung leicht zu steuern und somit auch für du Synehronisicrungszweekc auf einfache Weise einstell bar.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   1, Steuerungssystem zum Anlauf und zum Betrieb äines Schrittmotors mit konstanter Geschwindigkeit, enthaltend eine Wicklungsfolge- und Treiberschaltung, die zur Lieferung der Erregerimpulse an die Erregerwicklung anschaltbar ist, eine einen mit dem Motor gekuppelten Impulsgeber enthaltende Rückkopplungseinrichtung, die drehzahlproportionale Rückkopplungssignale liefert, aus denen erste Steuersignale abgeleitet sind, eine Oszillatoreinrichtung, die einer vorbestimmten Rotor-Betriebsgeschwindigkeit entsprechende zweite Steuersignale erzeugt, eine Vergleichseinrichtung, die die Phasenabweichung zwischen den Rückkopplungssignalen und den zweiten Steuersignalen feststellt, eine aus logischen Schaltelementen aufgebauie Schalteinrichtung mit je einem der Anlaufphase und der Betriebsphase des Motors zugeordneten Schaltzustand, wobei der der Anlaufphase zugeordnete Schaltzustand bei von der Vergleichseinrichtung festgestellter Phasenabweichung die Lieferung der ersten Steuersignale an die Wicklungsfolge- und Treiberschaltung unter Sperrung der zweiten Steuersignale und der dem Betriebslauf zugeordnete Schaltzustand bei von der Vergleichseinrichtung festgestellter Phasenübereinstimmung die Lieferung der zweiten Steuersignale an die Wicklungsfolge- und Treiberschaltung unter Sperrung der ersten Steuersignale ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, daß eine Synchronisierungseinrichtung zur Korrektur der Phasenabweichung zwischen den Rückkopplungssignalen und den zweiten Steuersignalen der mit einer vorbestimmten Frequenz frei schwingenden Oszillatoreinrichtung (Oszillator 43, Ausgangstrigger 45) bei der Betriebsphase des Motors durch entsprechende Verstellung der Phasenlage der Schwingungen des Oszillators (43) vorgesehen ist, die aus einer mit dem Steuereingang des Oszillators (43) verbundenen Diskriminator (42) besteht, dessen beide Eingänge mit je einer Torschaltung (UND-Schaltungen 38, 40) beschaltet sind, deren Eingänge mit dem Ausgang der ein von den Rückkopplungssignalen abgeleitetes Signal abgebenden Rückkopplungseinrichtung (22), mit den beiden Ausgängen des das zweite Steuersigna! abgebenden, von dem Oszillator (43) gesteuerten binären Ausgangstriggers (45) und mit dem der Betriebsphase des Motors zugeordneten, ein dem Schaltzustand entsprechendes Signal abgebenden Ausgang (0) der Schalteinrichtung (Trigger 52) verbunden sind.
2. 2. Steuerungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phase des frei schwingenden Oszillators (43) durch die Größe einer angelegten Steuerspannung einstellbar ist und daß die Schalteinrichtung (Trigger 52) derart zusätzlich beschaltet und mit dem Oszillator (43) verbunden ist, daß die Phasenlage des Oszillators (43) in der Anlaufphase des Motors fcstlegbar und in der Betriebsphase zur Korrektur der Phasenlage durch den Diskriminator (42) freigebbar ist.
3. 3. Steuerungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Diskriminator (42) ausgangsseitig einen Kondensator (C2) enthält, der mit einer der Phasenabweichung proportionale Ladespannung aufladbar ist, daß die den Eingängen des Diskriminators (42) vorgeschalteten Torschaltungen erste und zweite UND-Schaltungen (38,40) sind, mit Hilfe derer der Kondensator (C2) zyklisch auf- und entladbar ist.