DE3720748C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Erzeugung einer Hochlaufsteuerfrequenz und einer Abbrems­ steuerfrequenz für Schrittmotoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In der Fig. 1 der DE 34 44 220 A1 ist eine solche Steuer­ einrichtung für einen Schrittmotor dargestellt, die der Behebung der Instabilität des Schrittmotors dient, indem rechteckförmige Steuerimpulse, die von einem spannungsge­ steuerten Taktgeber erzeugt werden, mit Hilfe eines gefilterten und möglicherweise verstärkten Spannungssignals frequenzmoduliert werden. Dieses Spannungssignal wird an einem Widerstand abgegriffen, in dem ein Summen­ strom von Phasenströmen des Schrittmotors fließt. Der spannungsgesteuerte Taktgeber ist dabei z. B. ein mittels eines Zeitgebers("timers") von Typ LM 556 aufgebauter astabiler Multivibrator. Dieser enthält mindestens einen Kondensator als Teil von RC-Gliedern, die als Zeitbasis dienen zur Erzeugung der Impulsdauer und der Impulslücken der Steuerimpulse.

Es sind auch Steuerschaltungen für Schrittmotoren bekannt, welche beim Anlaufen und Anhalten des Schritt­ motors Rampenspannungen erzeugen, die derart auf einen spannungsgesteuerten Oszillator wirken, daß die Antriebsfrequenz beim Anlaufen und beim Anhalten des Schritt­ motors in einem Maße ansteigt bzw. abfällt, daß der Schrittmotor beschleunigt bzw. verzögert wird, ohne außer Tritt zu fallen. Bei einer ersten, aus der US 43 33 045 bekannten Schaltung dieser Art werden die Spannungsrampen durch Überlagerung eines linearen und eines exponentiellen Spannungsverlaufs erzeugt, wobei der exponentielle Spannungsverlauf durch ein RC-Glied erzeugt wird. Bei einer zweiten, aus der DE 16 38 036 B2 bekannten Schaltung werden die Rampenspannungen durch ein Netzwerk aus Widerständen und Gleichrichtern erzeugt. Es fehlt jedoch der Hinweis darauf, wie die Anlauf- und Bremssteuerung mit der eingangs erwähnten Stabili­ sierungs-Schaltung kombiniert werden könnte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrich­ tung der eingangs genannten Art, also mit Mitteln zur Behebung der Instabilität des Schrittmotors, zu schaffen, die sowohl während der Beschleunigung als auch während der Verzögerung des Schrittmotors mittels Frequenzrampen wirksam ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kenn­ zeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden in den Unteransprüchen beansprucht, wobei in einer besonders bevorzugten Ausführung die Frequenz der rechteckförmigen Steuerimpulse zeitweise mehr oder weniger exponential ansteigt bzw. absinkt und dabei vorzugsweise den in der Fig. 2 dargestellten zeitlichen Verlauf besitzt.

Wesentliches Merkmal der Erfindung ist die Entkopplung der Stabilisierung, die mit einer Stabilisations­ spannung auf den spannungsgesteuerten RC-Oszillator ein­ wirkt, und der Rampensteuerung, die durch Widerstands­ änderung auf denselben RC-Oszillator einwirkt. Das bringt unter anderem den Vorteil mit sich, daß über den Stabilisierungskanal ein Synchronisationssignal zur Konstanthaltung der Höchstfrequenz bzw. Höchstdrehzahl des Schrittmotors eingeführt werden kann, welches der Stabilisationsspannung überlagert ist, derart, daß trotz der Synchronisation die stabilisierende Frequenz modulation wirksam bleibt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Einrichtung zur Behebung der Instabilität eines Schrittmotors,

Fig. 2 einen bevorzugten zeitlichen Verlauf der Steuerfre­ quenz f des Schrittmotors,

Fig. 3 einen zeitlichen Verlauf eines Einschalt-Steuersignals V ₁ des Schrittmotors,

Fig. 4 einen zeitlichen Verlauf eines Freigabe-Steuersignals V ₂ des Schrittmotors,

Fig. 5 ein Blockschaltbild eines steuerbaren Taktgebers,

Fig. 6 ein Schaltbild einer Einrichtung zur Erzeugung einer Hochlauf- und Abbrems-Steuerfrequenz des Schrittmotors,

Fig. 7 ein Schaltbild eines nichtinvertierenden Schaltver­ stärkers und

Fig. 8 ein Schaltbild eines Filters mit Synchronisiereingang.

Gleiche Bezugszahlen bezeichnen in allen Figuren der Zeichnung gleiche Teile.

Die in der Fig. 1 dargestellte Einrichtung enthält mindestens:
einen Schrittmotor 1, der von einer Gleichspannung U gespeist ist,
einen Sequenzgeber 2,
einen Meßwiderstand 3,
ein Tiefpaßfilter 4,
fakultativ einen Verstärker 5,
ein Hochpaßfilter 6,
einen spannungsgesteuerten Taktgeber 7,
eine Einrichtung 8 zur Erzeugung einer Hochlauf- und Abbrems-Steuer­ frequenz,
ein erstes Und-Gatter 9,
ein zweites Und-Gatter 10,
eine Rückwärtszähleinrichtung 11,
ein Steuergerät 12,
fakultativ eine RC-Reihenschaltung 13; 14, bestehend aus einem Konden­ sator 13 und einem Widerstand 14,
fakultativ einen quarzgesteuerten Rechteckoszillator 15 und
fakultativ einen Phasenkomparator 16 mit Anzeige.

Der Schrittmotor 1 hat eine beliebige Anzahl Phasen. In der Zeichnung wurde die Anwesenheit eines vierphasigen Schrittmotors 1 angenommen. In diesem Fall besitzt der Sequenzgeber 2 vier mit dem Schrittmotor 1 verbundene Ausgänge, die z. B. "Open collector"-Ausgänge sind. Das heißt, der Ausgangs-Treiber des Sequenzgebers 2 besteht in diesem Fall aus vier Bipolartransistoren T 1, T 2, T 3 und T 4, deren Kollektoren die vier Ausgänge des Sequenzgebers 2 bilden und deren Basisanschlüsse mit je einem der vier Ausgänge einer Sequenzsteuerschaltung 2 a verbunden sind, deren Eingang seinerseits den Eingang des Sequenzgebers 2 bildet. Die Emitter der vier Bipolartransistoren T 1, T 2, T 3 und T 4 sind z. B. inner­ halb des Sequenzgebers 2 miteinander verbunden. Derartige Sequenzgeber sind an sich bekannt und handelsüblich erhältlich.

Der nicht mit dem Schrittmotor 1 verbundene Pol der Gleichspannung U liegt, nicht dargestellt, z. B. an Masse. In diesem Fall liegt auch ein erster Pol des Meßwiderstandes 3 an Masse.

Es sind einpolig direkt miteinander verbunden:

• - die Emitter der Bipolartransistoren T 1, T 2, T 3 und T 4 mit dem zweiten Pol des Meßwiderstandes 3 und mit dem Eingang des Tiefpaßfilters 4,
• - der Ausgang des Tiefpaßfilters 4 mit dem Eingang des Verstärkers 5 oder, falls dieser nicht vorhanden ist, mit dem Eingang des Hochpaß­ filters 6,
• - der Ausgang des Verstärkers 5, falls vorhanden, mit dem Eingang des Hochpaßfilters 6,
• - der Ausgang des Hochpaßfilters 6 mit dem Spannungs-Steuereingang P des Taktgebers 7,
• - der Ausgang des Taktgebers 7 mit dem Eingang des Sequenzgebers 2, mit einem Takteingang der Rückwärtszähleinrichtung 11 und, falls vor­ handen, mit einem ersten Eingang des Phasenkomparators 16,
• - je ein Pol eines zweipoligen Ausgangs der Einrichtung 8 mit je einem Pol Q bzw. R eines zweipoligen Widerstandseinganges Q; R des Taktgebers 7,
• - die Ausgänge der beiden Und-Gatter 9 und 10 mit je einem Steuereingang der Einrichtung 8,
• - zwei Ausgänge der Rückwärtszähleinrichtung 11 mit je einem ersten Eingang der Und-Gatter 9 und 10,
• - ein einpoliger Ausgang des Steuergerätes 12 mit dem zweiten Eingang der Und-Gatter 9 und 10 sowie
• - ein Ausgang des quarzgesteuerten Rechteckoszillators 15, falls vor­ handen, mit einem zweiten Eingang, falls vorhanden, des Phasenkom­ parators 16 und über die RC-Reihenschaltung 13; 14 mit einem Synchroni­ siereingang S des Verstärkers 5.

Je eine Busverbindung verbindet direkt einen ersten und einen zweiten Mehrbit-Ausgang des Steuergerätes 12, welches in diesem Fall auf digitale Weise arbeitet, mit einem ersten bzw. einem zweiten Mehrbit-Eingang der Rückwärtszähleinrichtung 11.

Der Taktgeber 7 ist ein spannungsgesteuerter Rechteckgenerator, z. B. ein mittels eines Zeitgebers vom Typ LM 556 aufgebauter astabiler Multi­ vibrator. Der Zeitgeber vom Typ LM 556 ist z. B. bei der Firma National Semiconductor Corporation, 2900 Semiconductor Drive, Santa Clara, California 95 501 erhältlich und in deren "Linear Databook" 1978 sowie deren "Linear Applications Handbook" 1978 beschrieben.

Die Hoch- und Tiefpaßfilter 4 und 6 sind z. B. bekannte L-förmige RC- Glieder, wobei beim Hochpaßfilter 6 ein Kondensator im Längszweig und ein Widerstand im Querzweig angeordnet sind, während beim Tiefpaßfilter 4 umgekehrt der Kondensator im Querzweig und der Widerstand im Längszweig angeordnet sind. Im einfachsten Fall besteht das Hochpaßfilter 6 nur aus dem Kondensator, wobei ein Pol dieses Kondensators den Eingang und der andere Pol dieses Kondensators den Ausgang des Hochpaßfilters 6 bildet. Bei Nichtvorhandensein des Verstärkers 5 kann das Hochpaßfilter 6 mit dem dann in Kaskade geschalteten Tiefpaßfilter 4 kombiniert werden und ein einziges Bandpaß-Filter bilden.

Das Steuergerät 12 ist vorzugsweise ein Mikrocomputer und die Rückwärts­ zähleinrichtung 11 besteht vorzugsweise aus zwei bekannten Binärzählern, denen auf bekannte Weise je ein Dekodierer nachgeschaltet ist.

Die Frequenz f der rechteckförmigen Ausgangsimpulse des Taktgebers 7 hat den in der Fig. 2 dargestellten zeitlichen Verlauf, während der zeitliche Verlauf der Steuer- und Ausgangssignale V ₁ und V ₂ der Und-Gatter 9 und 10 in der Fig. 3 bzw. der Fig. 4 dargestellt ist.

Ein Aufbau des Taktgebers 7 ist aus der Fig. 5 ersichtlich und besteht hauptsächlich aus einem Zeitgeber 17, z. B. vom Typ LM 556, der mit einem Kondensator C und zwei Widerständen R _A und R _B beschaltet ist, wobei die beiden Widerstände R _A und R _B unter sich und mit dem Konden­ sator C in Reihe geschaltet sind. Der Zeitgeber 17 besteht seinerseits im Prinzip aus einem ersten Komparator 18, einem zweiten Komparator 19, einem Flip-Flop 20, einem Ausgangsverstärker 21, drei in der angegebenen Reihenfolge in Reihe geschalteten Widerständen 22, 23 und 24, einem ersten Transistor 25 und einem zweiten Transistor 26. Der Widerstand R _A ist vorzugsweise ein einstellbarer Widerstand und das Flip Flop 20 z. B. ein RS-Flip-Flop. Die beiden Transistoren 25 und 26 sind vom entgegenge­ setzten Leitfähigkeitstyp und z. B. bipolare Transistoren. Dann ist der erste Transistor 25 z. B. ein NPN-Transistor und der zweite Tran­ sistor 26 ein PNP-Transistor.

In der Darstellung der Fig. 5 ist der Spannungs-Steuereingang P des Taktgebers 7 mit dem gemeinsamen Pol der Widerstände 22 und 23 sowie mit einem ersten Eingang des Komparators 18 verbunden. Der gemeinsame Pol der Widerstände 23 und 24 ist auf einen ersten Eingang des Komparators 19 geführt, während der zweite Eingang der Komparatoren 18 und 19 jeweils mit dem gemeinsamen Pol des Widerstandes R _B und des Kondensators C ver­ bunden ist. Der verbleibende Pol des Widerstandes 24 und des Konden­ sators C sowie der Emitter der Transistoren 25 liegen jeweils an Masse, während der verbleibende Pol des Widerstandes 22 sowie die Basis des Transistors 26 jeweils an eine 5 Volt-Gleichspannung liegen. Der Ausgang der beiden Komparatoren 18 und 19 ist auf je einen Eingang des Flip- Flop 20 geführt, dessen Ausgang seinerseits mit dem Eingang des Ausgangs­ verstärkers 21 und mit der Basis des Transistors 25 verbunden ist. Der Kollektor des Transistors 26 ist auf einen Rückstelleingang des Flip- Flop 20 geführt, während sein Emitter an einer Gleichspannungs-Referenz­ spannung V _Ref liegt. Der Ausgang des Ausgangsverstärkers 21 ist gleich­ zeitig der Ausgang des Zeitgebers 17 und des Taktgebers 7. Der Kollektor des Transistors 25 ist mit dem gemeinsamen Pol der Widerstände R _A und R _B verbunden. Die beiden Pole des Widerstandes R _A bilden den zweipoligen Widerstandseingang Q; R des Taktgebers 7.

Ein bevorzugter Aufbau der Einrichtung 8 ist aus der Fig. 6 ersichtlich und besteht aus einem Transistor 27, einem nichtinvertierenden Schaltver­ stärker 28, einem invertierenden Schaltverstärker 29, einer ersten Zener­ diode 30, einem ersten Widerstand 31, einer ersten Diode 32, einem zweiten Widerstand 33, einem dritten Widerstand 34, einer zweiten Zenerdiode 35, einem vierten Widerstand 36, einer zweiten Diode 37, einem fünften Wider­ stand 38, einem sechsten Widerstand 39, einer dritten Diode 40, einem siebten Widerstand 41, einem achten Widerstand 42, einem neunten Wider­ stand 43, einer vierten Diode 44 und einem Kondensator 45. Der Tran­ sistor 27 ist z. B. ein bipolarer PNP-Transistor. Die Widerstände 36, 39 und 41 sind vorzugsweise einstellbare Widerstände. Die Widerstände 33 und 38 haben vorzugsweise annähernd den gleichen Wert.

Die Eingänge der beiden Verstärker 28 und 29 bilden die beiden Steuerein­ gänge der Einrichtung 8, an denen die Ausgangssignale V ₁ und V ₂ der Und-Gatter 9 und 10 anstehen. Der Ausgang des invertierenden Verstär­ kers 29 ist über den Widerstand 34 mit je einem ersten Pol des Wider­ standes 33, einer Widerstands/Diode-Reihenschaltung 36; 37 und 38; 39; 40 sowie mit der Anode der Zenerdiode 35 verbunden. Die Widerstands/Diode- Reihenschaltung 36; 37 besteht mindestens aus dem Widerstand 36 und der Diode 37, wobei die Kathode der Diode 37 sich auf die dem zweiten Pol der Widerstands/Diode-Reihenschaltung 36; 37 zugewandte Seite befindet. Die Widerstands/Diode-Reihenschaltung 38; 39; 40 besteht z. B. aus dem Wider­ stand 38, dem Widerstand 39 und der Diode 40, wobei die Anode der Diode 40 sich auf die dem zweiten Pol der Widerstands/Diode-Reihenschal­ tung 38; 39; 40 zugewandte Seite befindet. Der zweite Pol der beiden Wider­ stands/Diode-Reihenschaltungen 36; 37 und 38; 39; 40 sind mit einem ersten Pol des Kondensators 45, der Basis des Transistors 27 und der Kathode der Diode 32 verbunden. Der Emitter des Transistors 27 ist über den Wider­ stand 41 mit einer 12 Volt-Gleichspannung verbunden, während sein Kollek­ tor, der mit der Anode der Diode 44 verbunden ist, den Ausgang der Einrich­ tung 8 bildet. Die Kathode der Diode 44 ist auf einen gemeinsamen Pol der beiden Widerstände 42 und 43 geführt, deren anderer Pol jeweils mit der 12 Volt-Gleichspannung bzw. mit dem Ausgang des nichtinvertierenden Verstärkers 28 verbunden ist. Die Widerstände 42 und 43 bilden zusammen einen Spannungsteiler 42; 43. Die 12 Volt-Gleichspannung liegt außerdem an der Kathode der Zenerdioden 30 und 35, am zweiten Pol jeweils des Widerstandes 33 und des Kondensators 45 sowie am positiven Speisepol des nichtinvertierenden Verstärkers 28. Die Anode der Zenerdiode 30 ist auf die Anode der Diode 32 und einen ersten Pol des Widerstandes 31 geführt, dessen zweiter Pol sowie die negativen Speisepole der Schaltver­ stärker 28 und 29 an Masse liegen.

Ein Aufbau des nichtinvertierenden Schaltverstärkers 28 ist aus der Fig. 7 ersichtlich und besteht aus einem invertierenden Schaltverstär­ ker 29, einem Transistor 46 und einem Widerstand 47. Der Ausgang des invertierenden Schaltverstärkers 29 ist mit einem ersten Pol des Wider­ standes 47 und mit der Basis des Transistors 46 verbunden, während sein Eingang ebenfalls den Eingang des nichtinvertierenden Schaltverstärkers 28 bildet. Der zweite Pol des Widerstandes 47 ist mit dem positiven Speise­ pol, der Emitter des Transistors 46 mit dem negativen Speisepol und der Kollektor des Transistors 46 mit dem Ausgang jeweils des nichtinvertieren­ den Schaltverstärkers 28 verbunden.

Der in der Einrichtung 8 und der in dem nichtinvertierenden Schaltverstär­ ker 28 enthaltene invertierende Schaltverstärker 29 sind identisch aufge­ baut und bestehen je aus einem Transistor 48, einem Widerstand 49 und einem Widerstand 50, wobei die beiden letzten in Reihe geschaltet sind und ihr gemeinsamer Pol mit der Basis des Transistors 48 verbunden ist. Der andere Pol des Widerstandes 49 bildet den Eingang, der Kollektor des Transistors 48 den Ausgang und der Emitter des Transistors 48 den negativen Speisepol jeweils des invertierenden Schaltverstärkers 29, wobei der zweite Pol des Widerstandes 50 mit dem Emitter des Transistors 48 verbunden ist. In der Fig. 7 ist außerdem der negative Speisepol des Schaltverstärkers 29 mit demjenigen des Schaltverstärkers 28 verbunden. Die beiden Transistoren 46 und 48 bilden je einen "Open collector"-Ausgang des Schaltverstärkers 28 bzw. 29 und sind z. B. bipolare NPN-Transistoren.

Die Kaskadenschaltung 5; 6 des Verstärkers 5 und des Hochpaßfilters 6 haben in einer bevorzugten Ausführung den in der Fig. 8 dargestellten Aufbau. Dieser besteht aus einem Operationsverstärker 51, fünf Wider­ ständen 52 bis 56 und vier Kondensatoren 57 bis 60. Der Eingang der Kaskadenschaltung 5; 6 ist durch einen ersten Pol des Kondensators 57 und ihr Ausgang durch einen gemeinsamen Pol der Kondensatoren 59 und 60 gebildet, wobei die beiden Kondensatoren 59 und 60 eine Reihenschal­ tung 59; 60 bilden. Der Synchronisiereingang S des Verstärkers 5 und damit der Kaskadenschaltung 5; 6 ist mit dem zweiten Pol des Kondensators 57, dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 51 und einem ersten Pol des Widerstandes 54 verbunden, dessen zweiter Pol auf je einen ersten Pol des Kondensators 58 und der Widerstände 53, 55 und 56 geführt ist. Die beiden Widerstände 52 und 53 sind in Reihe geschaltet und der zweite Pol des Widerstandes 53 ist mit dem invertierenden Eingang des Operations­ verstärkers 51 verbunden, dessen Ausgang mit dem vom Widerstand 53 abge­ wandten Pol des Widerstandes 52 und mit einem ersten Pol der Reihenschal­ tung 59; 60 verbunden ist. Es liegen an Masse jeweils der zweite Pol des Widerstandes 56, des Kondensators 58 und der Reihenschaltung 59; 60 sowie der negative Speisepol des Operationsverstärkers 51. Eine 5 Volt- Gleichspannung ist mit dem positiven Speisepol des Operationsverstär­ kers 51 und mit dem zweiten Pol des Widerstandes 55 verbunden. Der Wider­ stand 52 ist vorzugsweise ein einstellbarer Widerstand.

Bei Schrittmotoren treten im Bereich hoher Geschwindigkeiten in bestimmten Frequenzbereichen abrupte Drehmomentsverluste auf. Der Schrittmotor kann außer Tritt fallen und stehenbleiben. Dieses Verhalten kann durch parametrische Resonanzen des Schrittmotors erklärt werden, da der Rotor des Schrittmotors zusätzlich zu seiner konstanten Winkelgeschwindigkeit Oszillationen ausführt, deren Amplituden in diesen kritischen Frequenz­ bereichen stark anwachsen und so stark werden können, daß der Schritt­ motor seinen Synchronismus verliert und stehenbleibt. Bei Nichtvorhanden­ sein einer Stabilisierung besitzt die Drehmoment-Kennlinie des Schritt­ motors innerhalb des Frequenzbereiches von Null bis 20 kHz theoretisch mehrere Einbrüche, in der Praxis mindestens jedoch einen Einbruch, der z. B. annähernd bei 1000 Schritt/Sekunde liegt (sogenanntes "Pull out"- Gebiet). Dies führt dazu, daß der Schrittmotor bei Nichtvorhandensein einer Stabilisierung nur bei niedriger Geschwindigkeit, z. B. unterhalb 1000 Schritt/Sekunde, betrieben werden kann, in einem Geschwindigkeits­ bereich also, in dem seine mechanische Leistung relativ niedrig und sein Wirkungsgrad schlecht ist.

Wie bereits erwähnt, ist in der DE 34 44 220 A 1 der Aufbau und die Arbeits­ weise einer Einrichtung zur Behebung der Instabilitäten von Schrittmotoren beschrieben. Die vorliegende Fig. 1 entspricht annähernd diesem Aufbau mit dem Unterschied, daß zusätzlich, einmal von der nur fakultativ vorhandenen Anordnung 13; 14; 15; 16 abgesehen, eine Anordnung 8; 9; 10; 11; 12 vorhanden ist zur Ansteuerung des Taktgebers 7.

Die am Widerstand 3 anstehende Spannung moduliert nach ihrer Aufbereitung in der Anordnung 4; 5; 6 die Frequenz der rechteckförmigen, im Taktgeber 7 erzeugten Impulse derartig, daß die Arbeitsweise des Schrittmotors auch im sogenannten "Pull out"-Gebiet stabil ist (siehe Funktionsbeschrei­ bung der DE 34 44 220 A1). Zu diesem Zweck ist der Taktgeber 7 vorzugs­ weise als spannungsgesteuerter astabiler Multivibrator aufgebaut (siehe Fig. 5), der mindestens einen Kondensator C enthält, der periodisch über Widerstände geladen und entladen wird, so daß seine Kondensator­ spannung u _c einen sägezahnförmigen zeitlichen Verlauf besitzt. In dem in der Fig. 5 dargestellten Aufbau lädt die am Eingangspol Q anstehende 12 Volt-Gleichspannung über die Reihenschaltung R _A ; R _B der beiden Wider­ stände R _A und R _B den Kondensator C. Erreicht die Kondensatorspannung u _c einen mit Hilfe der als Spannungsteiler geschalteten Widerstände 22, 23 und 24 vorgegebenen Schwellwert des Komparators 18, dann schaltet dieser das Flip-Flop 20 um, der Transistor 25 wird leitend, so daß der Konden­ sator C sich jetzt über den Widerstand R _B und die Kollektor/Emitter- Strecke des Transistor 25 entlädt. Sobald die Kondensatorspannung u _c den ebenfalls mit Hilfe der als Spannungsteiler geschalteten Wider­ stände 22, 23 und 24 vorgegebenen Schwellwert des Komparators 19 unter­ schreitet, schaltet dieser das Flip-Flop 20 zurück in seine ursprüng­ liche Lage, wodurch der Transistor 25 gesperrt wird, so daß der Konden­ sator C erneut über die Reihenschaltung R _A ; R _B geladen werden kann. Das am Ausgang des Hochpaßfilters 6 (siehe Fig. 1) anstehende Modulations­ signal verstellt und moduliert über den Spannungs-Steuereingang P des Taktgebers 7 (siehe Fig. 5) den Schwellwert des Komparators 18, wodurch die rechteckförmigen Ausgangsimpulse des Flip-Flop 20 frequenzmoduliert werden.

Um das Risiko von Instabilitäten des Schrittmotors weiter zu verkleinern, darf die volle Betriebsfrequenz der Steuerimpulse des Schrittmotors, wenn sie im sogenannten "Pull out"-Gebiet liegt, nicht plötzlich angelegt oder abgeschaltet werden, sondern die Steuerfrequenz des Schrittmotors muß beim periodischen Ein- und Ausschalten des Schrittmotors jeweils stetig kontinuierlich bis zum Erreichen einer maximalen Betriebsfre­ quenz f _max heraufgefahren bzw. jeweils von f _max ausgehend bis zum Er­ reichen einer minimalen, nicht mehr im "Pull out"-Gebiet liegenden Fre­ quenz f _min heruntergefahren werden. Die Fig. 2 zeigt ohne Darstellung der Frequenzmodulation einen idealen zeitlichen Verlauf einer Einschalt­ periode der Steuerfrequenz f des Schrittmotors. Demnach steigt die Steuer­ frequenz f zu Beginn der Einschaltperiode sprungartig von Null auf die Frequenz f _min an, die noch außerhalb des "Pull out"-Gebietes liegt, um anschließend stetig kontinuierlich und vorzugsweise exponential auf die maximale Betriebsfrequenz f _max anzusteigen, die z. B. mitten im "Pull out"-Gebiet liegt. Ähnlich verläuft das Herunterfahren der Steuerfrequenz am Ende der Einschaltperiode zuerst stetig kontinuierlich und vorzugsweise exponential von f _max auf f _min , um anschließend sprunghaft von f _min auf Null heruntergeschaltet zu werden. Ein derartiger zeitlicher Frequenz­ lauf wird mit Hilfe der Einrichtung 8 erzeugt.

Der Transistor 27 und der Widerstand 41 der Einrichtung 8 (siehe Fig. 6) stellen einen steuerbaren Widerstand 27; 41 dar, dessen Gesamtwert, be­ stehend aus dem Wert des Widerstandes 41 und dem Widerstandswert der Kollektor/Emitter-Strecke des Transistors 27, mit Hilfe der Basisspannung des Transistors 27 einstellbar ist. Der Wert des steuerbaren Wider­ standes 27; 41 wird von der Lade- und Entladespannung des Kondensators 45 gesteuert. Der steuerbare Widerstand 27; 41 ist über den Ausgang Q; R der Einrichtung 8 und den Widerstandseingang Q; R des Taktgebers 7 dessen Widerstand R _A des RC-Gliedes R _A ; R _B ; C parallelgeschaltet (siehe Fig. 1 und Fig. 5). Das heißt: Durch die Basisspannung des Transistors 27 wird der wirksame Wert des mit dem Widerstand R _B (siehe Fig. 5) in Reihe ge­ schalteten Widerstandes R _A und damit die Ladekennlinie des Kondensators C des Taktgebers 7 verändert, wodurch die Neigung der positivgehenden Flanken der sägezahnförmigen Kondensatorspannung u _c des Kondensators C und damit auch die Steuerfrequenz des Schrittmotors geändert wird.

Das Freigabe-Steuersignal V ₂ des Schrittmotors ist in der Fig. 4 darge­ stellt und gleich dem Logikwert "1" während der Dauer einer jeden Ein­ schaltperiode des Schrittmotors. Außerhalb der Einschaltperioden besitzt das binäre Freigabe-Steuersignal V ₂ und damit auch das Ausgangssignal des von ihm angesteuerten Schaltverstärkers 28 einen Logikwert "0", so daß die Diode 44 leitend ist und, da sie in einer Clamping-Schaltung angeordnet ist, die Spannung des Eingangspols R des Taktgebers 7 (siehe Fig. 5) auf niedrigem Niveau konstant hält. Dadurch ist der astabile Multivibrator des Taktgebers 7 außer Betrieb gesetzt und seine Ausgangs­ frequenz gleich Null. Sobald das binäre Freigabe-Steuersignal V ₂ den Logikwert "1" annimmt, steigt die Ausgangsspannung des Schaltverstär­ kers 28 auf 12 Volt an und die Diode 44 ist nicht mehr leitend, so daß der astabile Multivibrator des Taktgebers 7 freigegeben ist.

Ein binäres Einschalt-Steuersignal V ₁ des Schrittmotors ist in der Fig. 3 dargestellt und nimmt gleichzeitig mit dem Freigabe-Steuersignal V ₂ einen Logik-Wert "1" an. Da er vorher einen Logikwert "0" hatte, besaß das Ausgangssignal des vom Einschalt-Steuersignal V ₁ angesteuerten Schalt­ verstärkers 29 vorher einen Logikwert "1", d. h. der als "Open collector" geschaltete Ausgang des Schaltverstärkers 29 war offen, so daß der Kondensator 45 sich vollständig über die Widerstände 33 und 36 sowie über die Diode 37 auf null Volt entladen konnte. Da die Spannung des Kondensators 45 direkt auf die Basis des Transistors 27 wirkt, ist dieser somit zu Beginn der Einschaltperiode gesperrt und der steuerbare Wider­ stand 27; 41 somit außer Betrieb. Der Kondensator C des Taktgebers 7 (siehe Fig. 5) wird nur über den Reihenwiderstand R _A ; R _B geladen, der so seinen maximal wirksamen Wert besitzt. Die Ladezeit des Kondensators C ist demnach maximal und die Ausgangsfrequenz f des Taktgebers 7 kurz nach dessen Freigabe somit minimal und gleich f _min . Mit anderen Worten: Zu Beginn der Einschaltperiode, wenn die beiden Steuersignale V ₁ und V ₂ einen Logikwert "1" annehmen, springt die Ausgangsfrequenz f des Taktgebers 7 plötzlich von Null auf f _min , wobei der Wert von f _min mit Hilfe des ein­ stellbaren Widerstandes R _A auf einen Wert einstellbar ist, der noch unterhalb des "Pull out"-Gebietes des Schrittmotors liegt.

Sobald das Einschalt-Steuersignal V ₁ einen Logikwert "1" annimmt, er­ scheint am Ausgang des Schaltverstärkers 29 ein Logikwert "0". Die Wider­ stände 33 und 34 arbeiten als Spannungsteiler 33; 34 und die Zenerdiode 35, die dem Widerstand 33 parallelgeschaltet ist, begrenzt dessen Ausgangs­ spannung U _Z auf z. B. -6,2 Volt gegenüber der 12 Volt-Speiseleitung, falls die Zenerdiode 35 eine 6,2 Volt-Zenerdiode ist. Der Kondensator 45 lädt sich exponential über die Widerstands/Diode-Reihenschaltung 38; 39; 40 von 0 Volt auf -6,2 Volt. Dadurch nimmt die Basisspannung des Transi­ stors 27 exponential von 12 Volt auf 5,8 Volt ab, der Transistor 27 wird leitend und damit wird der steuerbare Widerstand 27; 41 parallel zum Widerstand R _A (siehe Fig. 5) in Betrieb genommen. Der wirksame Wert des Widerstandes R _A und damit auch die Ladezeit des Kondensators C ver­ kleinert sich und die Ausgangsfrequenz f des Taktgebers 7 steigt von der Frequenz f _min ausgehend exponential bis zum maximalen Wert f _max an, der mit Hilfe des einstellbaren Widerstandes 41 einstellbar ist und der erreicht wird, wenn die Spannung des Kondensators 45 den Wert -6,2 Volt erreicht. Ab diesem Augenblick behält die Ausgangsfrequenz f des Taktgebers 7 und damit auch die Steuerfrequenz des Schrittmotors den Wert f _max , bis daß das Einschalt-Steuersignal V ₁ wieder auf den Logik­ wert "0" zurückgeschaltet wird. Die Zeitkonstante des exponentialen Herauflaufens der Steuerfrequenz f des Schrittmotors kann mit Hilfe des einstellbaren Widerstandes 39 eingestellt werden.

Wird nach einer gewissen Zeit das Einschalt-Steuersignal V ₁ auf Null zurückgestellt, dann nimmt das Ausgangssignal des Schaltverstärkers 29 einen Logikwert "1" an, der Widerstand 34 wird außer Betrieb genommen und der Kondensator 45 entlädt sich exponential über den Widerstand 33 und die Widerstands/Diode-Reihenschaltung 36; 37 von -6,2 Volt auf 0 Volt. Der Widerstand des steuerbaren Widerstandes 27; 41 nimmt somit exponential ab und der wirksame Wert des Widerstandes R _A (siehe Fig. 5) nimmt ent­ sprechend exponential zu, so daß die Steuerfrequenz des Schrittmotors exponential von f _max auf f _min abnimmt, wobei f _min erreicht wird, wenn die Spannung des Kondensators 45 einen Wert erreicht, der den Transistor 27 sperrt und damit den steuerbaren Widerstand 27; 41 außer Betrieb setzt. Die Zeitkonstante des exponentialen Herunterlaufens der Steuerfrequenz f des Schrittmotors kann mit dem einstellbaren Widerstand 36 eingestellt werden.

Die Lade- und Entladungsspannung des Kondensators 45 wird somit erzeugt, indem die im Wert von 0 Volt auf -6,2 Volt bzw. umgekehrt von -6,2 Volt auf 0 Volt umschaltbare Gleichspannung U _Z am Ausgang des Spannungstei­ lers 33; 34 über je eine Widerstands/Diode-Reihenschaltung 36; 37 bzw. 38; 39; 40 mit dem Kondensator 45 verbunden wird. Die umschaltbare Gleich­ spannung U _Z wird dabei dadurch erzeugt, daß ein Eingangspol des Spannungs­ teilers 33; 34 mit dem Ausgang des Schaltverstärkers 29 verbunden ist, dessen Eingang vom binären Einschalt-Steuersignal V ₁ angesteuert ist.

Der minimale Wert f _min der Steuerfrequenz des Schrittmotors wird solange beibehalten, bis das Freigabe-Steuersignal V ₂ auf den Logikwert "0" umgeschaltet wird, wodurch die Diode 44 wieder in Betrieb genommen wird und so den astabilen Multivibrator des Taktgebers 7 sperrt, so daß die Steuerfrequenz des Schrittmotors plötzlich von f _min auf Null absinkt.

Zusammengefaßt: Die Freigabe des Schrittmotors erfolgt dadurch, daß ein Pol des steuerbaren Widerstandes 27; 41 über die Diode 44 mit einer im Wert umschaltbaren, am Ausgang des Spannungsteilers 42; 43 anstehenden Gleichspannung U _R verbunden ist. Die umschaltbare Gleichspannung U _R wird dabei dadurch erzeugt, daß ein Eingangspol des Spannungsteilers 42; 43 mit dem Ausgang des Schaltverstärkers 28 verbunden ist, dessen Eingang vom binären Freigabe-Steuersignal V ₂ angesteuert ist.

Die Schaltungsanordnung 30; 31; 32 der Einrichtung 8 (siehe Fig. 6) ist ein Spannungsbegrenzer und dient nur der Sicherheit. Sie verhindert, daß die Basisspannung des Transistors 27 gegenüber der 12 Volt-Leitung negativer wird als z. B. 5,6 Volt, wenn die Zenerdiode 30 eine 5,6 Volt- Zenerdiode ist. Die Zenerdiode 30 und der Widerstand 31 des Spannungs­ begrenzers 30; 31; 32 sind als Spannungsteiler geschaltet, dessen Ausgang über die Diode 32 mit dem Ausgang des Spannungsbegrenzers 30; 31; 32 ver­ bunden ist. Die Diode 32 arbeitet dabei als Clamping-Diode. Der Ausgang des Spannungsbegrenzers 30; 31; 32 ist seinerseits mit dem Steuereingang des steuerbaren Widerstandes 27; 41 verbunden.

Die Steuersignale V ₁ und V ₂ werden in der Rückwärtszähleinrichtung 11 folgendermaßen erzeugt: Die Impulsdauer der Steuersignale V ₁ und V ₂, ausgedrückt in Anzahl Schritte des Schrittmotors, werden vom Steuerge­ rät 12, das z. B. ein Mikrocomputer ist, als digitale Startzählwerte vor dem Start des Schrittmotors in je einen der beiden nicht dargestellten Rückwärtszähler der Rückwärtszähleinrichtung 11 über je eine der beiden Busverbindungen (siehe Fig. 1) parallel geladen. Sobald der Schrittmotor gestartet werden soll, erscheint ein Logikwert "1" am einpoligen Ausgang des Steuergerätes 12 und gibt die beiden Und-Gatter 9 und 10 frei für je eines der beiden Ausgangssignale der Rückwärtszähleinrichtung 11, die normalerweise beide einen Logikwert "1" besitzen. Dies entspricht dem Beginn einer Einschaltperiode der Steuerfrequenz f. Nach Ablauf der im zugehörigen Rückwärtszähler gespeicherten Dauer des Einschalt-Steuer­ signals V ₁ und nur dann erscheint am zugehörigen Ausgang der Rückwärtszähl­ einrichtung 11 ein Logikwert "0", der das Einschalt-Steuersignal V ₁ mit Hilfe des Und-Gatters 9 auf "0" herunterschaltet und so das exponentiale Herunterlaufen der Steuerfrequenz f am Ende der Einschaltperiode einleitet. Desgleichen erscheint nach Ablauf der im zugehörigen Rückwärtszähler gespeicherten Dauer des Freigabe-Steuersignals V ₂ und nur dann am zuge­ hörigen Ausgang der Rückwärtszähleinrichtung 11 ein Logikwert "0", der das Freigabe-Steuersignal V ₂ mit Hilfe des Und-Gatters 10 auf "0" her­ unterschaltet und so das plötzliche Umschalten der Steuerfrequenz f von f _min auf Null am Ende der Einschaltperiode veranlaßt.

Mit Vorteil können die frequenzmodulierten Steuerimpulse des Schrittmotors in fakultativer Weise von z. B. einem quarzgesteuerten Rechteckoszilla­ tor 15 über die RC-Reihenschaltung 13; 14 frequenzsynchronisiert werden. Die RC-Reihenschaltung 13; 14 (siehe Fig. 1) wandelt dabei die Rechteck­ impulse der quarzgesteuerten Ausgangsfrequenz des Rechteckoszillators 15 in eine Sägezahnspannung um, die entweder, wie in der Fig. 1 und in der Fig. 8 dargestellt, über den Synchronisiereingang S den Verstärker 5 oder, falls dieser nicht vorhanden ist, direkt das Hochpaßfilter 6 speist. Diese Frequenzsynchronisation verursacht eine Art Phasenmodulation der Steuerfrequenz f des Schrittmotors während der Zeit, in der diese Steuerfrequenz f gleich f _max ist.

Zur Erläuterung sei darauf verwiesen, daß gemäß oben­ stehender Beschreibung der Arbeitsweise des spannungs­ gesteuerten Taktgebers 7 (Fig. 5) eine Sägezahnspannung am Kondensator C auftritt. Jede ansteigende Flanke dieser Sägezahnspannung löst einen Kippvorgang des Taktgebers aus, wenn sie die am Steuereingang P anliegende Spannung erreicht. Je höher nun diese Steuer­ spannung infolge des Regelvorganges zur Stabilisierung des Motors steigt, umso später erreicht die ansteigende Flanke der Sägezahnspannung diese Steuerspannung und umso niedriger wird die Frequenz des Taktgebers. Wird nun der Steuer- oder Regelspannung eine sägezahn­ förmige oder dreieckförmige Synchronisationsspannung überlagert, werden die absteigenden Flanken dieser Synchronisationsspannung jeweils den erwähnten Kipp­ vorgang auslösen und damit die Frequenz des Taktgebers im Mittel stabilisieren. Der Zeitpunkt der Auslösung des Kippvorgangs durch die Synchronisationsspannung hängt jedoch, wie oben erläutert, vom momentanen Pegel der Steuer- oder Regelspannung ab, wodurch sich eine Phasenmodulation einstellt, welche wiederum stabilisierend auf den Motor wirkt.

Fakultativ können die Impulsphasen der Steuerimpulse des Schrittmotors und des Ausgangssignals des quarzgesteuerten Rechteckoszillators 15 im Phasenkomparator 16 miteinander verglichen werden und ihre Differenz in ihm angezeigt werden.

Claims (11)

1. Einrichtung zur Erzeugung von Steuerimpulsen einer Hochlaufsteuerfrequenz und einer Abbremssteuerfrequenz für einen Schrittmotor, wobei zur Behebung der Instabilität des Schrittmotors die von einem spannungsgesteuerten Taktgeber (7) erzeugten rechteckförmigen Steuerimpulse mit Hilfe eines Spannungssignals, das dem Mittelwert des Summenstromes von Phasenströmen entspricht, moduliert werden und wobei der spannungsgesteuerte Taktgeber (7) mindestens einen Kondensator (C) enthält als Teil von RC-Gliedern (R _A ; R _B ; C und R _B ; C), die als Zeit­ basis dienen zur Erzeugung der Impulsdauer und der Impulslücken der rechteckförmigen Steuerimpulse, dadurch gekennzeichnet, daß einem Widerstand (R _A ) eines RC- Gliedes (R _A ; R _B ; C) ein steuerbarer Widerstand (27; 41) parallelgeschaltet ist, dessen Wert von einer Lade- und Entladespannung eines weiteren Kondensators (45) gesteuert ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Widerstand (27, 41) aus einer Reihenschaltung eines Widerstandes (41) und eines Transi­ stors (27) besteht und der weitere Kondensator (45) mit der Basis des Transistors (27) verbunden ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwecks Erzeugung der Lade- und Entlade­ spannung des weiteren Kondensators (45) eine im Wert umschaltbare Gleichspannung (U _Z) über je eine Wider­ stands/Diode-Reihenschaltung (36; 37 und 38; 39; 40) mit dem weiteren Kondensator (45) verbunden ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Widerstands/Diode-Reihenschaltung (36; 37 und 38; 39; 40) einen einstellbaren Widerstand (36 bzw. 39) enthält.

5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwecks Erzeugung der umschaltbaren Gleichspannung (U _Z) ein Spannungsleiter (33; 34) vorhanden ist, dessen eine Eingangspol mit dem Ausgang eines Schaltverstärkers (29) verbunden ist, wobei der Eingang des Schaltverstärkers (29) von einem binären Einschalt- Steuersignal (V₁) angesteuert ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß einem Widerstand (33) des Spannungsteilers (33; 34) eine Zenerdiode (35) parallelgeschaltet ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Freigabe des Schrittmotors ein Pol des steuerbaren Widerstandes (27; 41) über eine Diode (44) mit einer zweiten im Wert umschaltbaren Gleichspannung (U _R) verbunden ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Erzeugung der zweiten im Wert umschaltbaren Gleichspannung (U _R) ein zweiter Spannungsleiter (42; 43) vorhanden ist, dessen ein Eingangspol mit dem Ausgang eines zweiten Schaltverstärkers (28) verbunden ist, wobei der Eingang des zweiten Schaltverstärkers (28) von einem binären Freigabe-Steuersignal (V₂) angesteuert ist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spannungsbegrenzer (30; 31; 32) vorhanden ist, dessen Ausgang mit dem Steuereingang des steuerbaren Widerstandes (27; 41) verbunden ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsbegrenzer (30; 31; 32) aus einer Zener­ diode (30) und einem Widerstand (31) besteht, die beide als Spannungsteiler geschaltet sind, dessen Ausgang über eine weitere Diode (32) mit dem Ausgang des Spannungsbe­ grenzers (30; 31; 32) verbunden ist.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der spannungsgesteuerte Taktgeber (7) als Multivibrator aufgebaut ist, in welchem durch wechselweises Laden und Entladen des Kondensators (C) eine Sägezahnspannung auftritt, deren ansteigende Flanke beim Erreichen der steuernden Spannung am Steuereingang (P) ein Kippen des Multivibrators steuert, und daß sich die steuernde Spannung aus der Überlagerung des Spannungssignals mit einer weiteren Sägezahn­ spannung, die von einem quarzgesteuerten Rechteckoszillator (15) über eine RC-Reihenschaltung (13, 14) erzeugt wird, ergibt.