DE3416980A1

DE3416980A1 - Verfahren und schaltung zur steuerung eines von einer gleichspannung gesteuerten schrittmotors

Info

Publication number: DE3416980A1
Application number: DE19843416980
Authority: DE
Inventors: Pierre Meyriez Boillat
Original assignee: Sodeco Saia AG; Societe des Compteurs de Geneve SODECO
Current assignee: Johnson Electric Switzerland AG
Priority date: 1984-04-10
Filing date: 1984-05-08
Publication date: 1985-10-24
Also published as: FR2562737A1; GB8508597D0; IT8520259A0; GB2157513B; GB2157513A; US4672282A; CH663701A5; JPS60220000A; IT1184396B

Description

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SODECO-SAIA AG CH~3280 Murten

Verfahren und Schaltung zur Steuerung eines von einer Gleichspannung gespeisten Schrittmotors

Anwendungsgebiet und Zweck

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Schaltung zur Steuerung eines von einer Gleichspannung gespeisten Schrittmotors gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Schaltung dient z.B. dazu, die Differenz zwischen der mechanischen Winkelstellung des Rotors eines Schrittmotors und dem elektrischen Phasenwinkel des den Schrittmotor steuernden Steuersignals zu ermitteln. Sie kann z.B. zu einem der folgenden Zwecke verwendet werden:

- Anhalten oder Drehrichtung-Umkehrung von Schrittmotoren, die mechanische Anschläge besitzen,

- Drehmoment-Begrenzung bei Verwendung von Schrittmotoren in Systemen, die einen bestimmten Druck erzeugen müssen, oder

- Detektion von Unregelmässigkeiten im Lauf von Schrittmotoren zwecks

Korrektur dieser Unregelmässigkeiten.
Stand der Technik

Aus dem Buch "Proceedings of the third international MOTORCON '82 conference, Sept. 28-30, 1982, Geneva, Switzerland" Seite 158 sind verschiedene Beschaltungsarten von Schrittmotoren bekannt.

Aus dem Datenbuch "Linear Integrated Circuits", 1980, Seiten 6-129 bis 6-134, der Firma Motorola, Phoenix, Arizona ist ein "Stepper Motor Driver" vom Typ SAA 1042 bekannt.

Aufgabe und Lösung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, möglichst aufwandsökono-

misch ein Verfahren und eine Schaltung zur Detektion des Drehmomentes

eines Schrittmotors zu realisieren, die bei Grossserien verwendet werden kann. Durch Benutzung derartiger Schaltungen in Systemen zum Anhalten von Schrittmotoren, die mechanische Anschläge besitzen, können z.B. bei der Verwendung von mechanisch starren Systemen Schwingungen vom Typ "zwei Schritt vorwärts, zwei Schritt rückwärts" sowie zusätzlicher Lärm vermieden werden. Auch bei mechanisch elastischen Systemen können bedeutende Schwingungen vermieden werden, die durch die Akkumulation potentieller Energie in elastischen Elementen des Systems verursacht werden und die dazu führen können, dass der Schrittmotor abwechselnd zwischen Synchronismus und Nichtsynchronismus hin und her pendelt, so dass der Schrittmotor seine wichtigste Eigenschaft verliert, nämlich ein Digital/Analog-Wandler zu sein.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 bzw. 19 angegebenen Merkmale gelöst.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen: Fig. 1 eine Schaltung mit einem vierphasigen, einpolig geschalteten Schrittmotor,

Fig. 2 ein zur Schaltung der Fig. 1 zugehöriges Zeitdiagramm verwendeter Impulsfolgen, Fig. 3 ein vergrösserter Ausschnitt eines Teils des

in der Fig. 2 dargestellten Zeitdiagramms, Fig. 4 eine Auswerteschaltung, Fig. 5 ein zur Auswerteschaltung zugehöriges Zeitdia gramm, Fig. 6 eine weitere Schaltung mit einem vierphasigen,

einpolig geschalteten Schrittmotor, Fig. 7 ein zur Schaltung der Fig. 6 zugehöriges Zeitdiagramm verwendeter Impulsfolgen, Fig. 8 eine Schaltung mit einem zweiphasigen, zweipol ig geschalteten Schrittmotor und

Fig. 9 ein Zeitdiagramm des Spannungsabfalls über einen steuerbaren Schalter.

Gleiche Bezugszahlen bezeichnen in allen Figuren der Zeichnung gleiche Teile.

Beschreibung

Die nachfolgend erwähnten Schalter sind z.B. Halbleiterschalter. Diese sind dann im Falle von steuerbaren Schaltern vorzugsweise Transistoren und im Falle von nichtsteuerbaren Schaltern vorzugsweise Dioden. In den Figuren 1, 6 und 8 sind steuerbare erste Schal- ter T1, T2, T3 und T4 sowie in der Fig. 8 steuerbare zweite Schalter T5, T6, T7 und T8 als NPN-Transistören dargestellt. Es können natürlich auch unter gleichzeitiger Umkehrung der Spannungs- und Dioden-Polaritäten PNP-Transistören verwendet werden. In den Figuren 1 und 6 sind nichtsteuerbare erste Schalter D1, D2, D3 und D4 als

Dioden dargestellt, die als Rückflussdioden wirken.

Der Schrittmotor kann an sich eine beliebige Anzahl Phasen besitzen. Nachfolgend wird das Vorhandensein eines vier- oder zweiphasigen Schrittmotors angenommen.

Die in der Fig. 1 dargestellte Schaltung besteht aus einem Sequenzgeber 1, einem vierphasigen Schrittmotor, der je eine Spule LI, L2, L3 bzw. L4 pro Phase besitzt, vier steuerbaren ersten Schaltern T1, T2, T3 und T4, vier nichtsteuerbaren zweiten Schaltern D1, D2, D3 und D4, einer Zenerdiode ZD, einem Widerstand R und einer Diode D. Der Sequenzgeber 1 ist an sich bekannt und z.B. vom Typ SAA 1042 der Firma Motorola. Er besitzt einen Takteingang 2, der von einem Taktsignal U„ gespeist ist. Ein erster Pol einer jeden Spule L1, L2, L3 und L4 ist einerseits mit Hilfe je eines steuerbaren ersten Schalters T1, T2, T3 bzw. T4 direkt auf einen ersten, in diesem Fall negativen und an Masse liegenden Pol einer Gleichspannung U-geschaltet. Der erste Pol einer jeden Spule L1, L2, L3 und L4 ist anderseits noch zusätzlich mit Hilfe je eines nichtsteuerbaren zweiten Schalters D1, D2, D3 bzw. D4 über einen für alle Phasen gemein- samen Strompfad auf den gleichen ersten Pol der Gleichspannung U₃ geschaltet. Der zweite Pol einer jeden Spule L1, L2, L3 und L4 besitzt keine Schalter. Die Gleichspannung U₃ speist den Schrittmotor,

indem ihr zweiter, im Falle der Zeichnung positiver Pol über einen Speisepol 3 der in der Fig. 1 dargestellten Schaltung auf die miteinander verbundenen zweiten Pole der vier Spulen L1, L2, L3, L4 geführt ist. Der für alle Phasen gemeinsame Strompfad besteht, begin nend beim zweiten Schalter D1, D2, D3 bzw. D4, aus einer Zenerdiode ZD, die mit einem nachfolgenden Widerstand R in Reihe geschaltet ist. Bei einer positiven Gleichspannung U- ist die Anode der Zenerdiode ZD mit einem Pol des Widerstandes R verbunden. Dem Widerstand R ist z.B. eine in Durchlassrichtung gepolte Diode D parallel geschaltet.

Der Sequenzgeber 1 besitzt vier Steuerausgänge 4, 5, 6 und 7, die je auf einen Steuereingang der steuerbaren ersten Schalter T1, T2, T3 bzw. T4 geführt sind. Einer der beiden Pole des Widerstandes R bildet den Ausgang 8 der in der Fig. 1 dargestellten Schaltung.

Auf der ersten Zeile der Fig. 2 ist das Taktsignal U₂, auf der zweiten bis fünften Zeile je eines der Steuersignale U., U₅, U_g bzw. U₇ der Steuerausgänge 4, 5, 6 bzw. 7 des Sequenzgebers 1 und auf der sechsten Zeile das Ausgangssignal Ug am Ausgang 8 der in der Fig. 1 dargestellten Schaltung wiedergegeben.

Das Taktsignal U₂ besteht aus sehr kurzen, rechteckförmigen und

positivgehenden Impulsen. Seine Frequenz ist viermal so hoch wie diejenige der Steuersignale U-, Ug, U_ß und Uy, die alle vier die gleiche Frequenz besitzen. Die Steuersignale U., U₅, U_ß und U₇ be stehen ebenfalls alle aus rechteckförmigen positivgehenden Impulsen, die allerdings einen "duty cycle" von 50 % besitzen. Ein Steuersignal U-, U₅, Ug bzw. U₇ ist jeweils gegenüber dem vorhergehenden um eine Viertelperiode zeitverschoben. Das Ausgangssignal Ug besteht aus sehr kurzen, nichtrechteckförmigen und positivgehenden Impulsen, deren sehr steile Vorderflanke jeweils mit der Vorderflanke des zugehörigen Impulses des Taktsignals U₂ zeitlich übereinstimmt.

In der Fig. 3 ist ein vergrösserter, annähernd eine Periode dauernder Zeitabschnitt des Taktsignals U₂ und des Ausgangssignals Uq dargestellt. Das Ausgangssignal U„ ist für drei Fälle wiedergegeben:

- Als voll durchgezogene Kennlinie A, wenn der Schrittmotor im Leer-

lauf betrieben ist. In diesem Fall ist die Dauer des Ausgangsimpulses an der Basis gemessen gleich τ.

- Als gestrichelte Kennlinie B₅ wenn der Schrittmotor belastet ist. 5

- Als gestrichelt-punktierte Kennlinie C, wenn der Schrittmotor mitgezogen wird, d.h. wenn er als Bremse wirksam ist.

Die in der Fig. 4 dargestellte Auswerteschaltung 9; 10; 11 besteht in der angegebenen Reihenfolge aus der Kaskadenschaltung eines Komparators 9, eines Multivibrators 10 und eines zwei Eingänge aufweisenden Gatters 11, wobei ein erster Eingang des Gatters 11 direkt mit dem Ausgang des Komparators 9 verbunden ist, während der andere zweite Eingang der Bildung der Kaskandenschaltung dient. Die Auswerteschaltung 9; 10; 11 wird z.B. am Ausgang 8 der in der Fig. 1 dargestellten Schaltung angeschlossen, indem der Ausgang 8 mit dem invertierenden Eingang des Komparators 9 verbunden wird. Der nichtinvertierende Eingang des Komparators 9 liegt an einer Spannung mit einem vorgegebenen positiven Pegel IL _f. Der Komparator 9 besitzt z.B. als Speisespannung die Gleichspannung U₃. Der Multivibrator 10 ist z.B. ein monostabiler Multivibrator und das Gatter 11 ein Und-Gatter, wenn positivgehende Ausgangsimpulse, bzw. ein Nand-Gatter, wenn negativgehende Ausgangsimpulse erzeugt werden sollen. Der Multivibrator 10 kann auch ein astabiler Multivibrator und das Gatter 11 ein Und-Gatter mit einem nachgeschalteten, nicht dargestellten Zähler sein.

In der Fig. 5 ist auf der Zeile 1 das Ausgangssignal U_ß der in der Fig. 1 dargestellten Schaltung, auf der Zeile 2 die Ausgangsspannung Ug des Komparators 9, auf der Zeile 3 die Ausgangsspannung U^q eines monostabilen Multivibrators 10 und auf der Zeile 4 die Ausgangsspan nung U₁₁ eines Nand-Gatters 11 dargestellt. Auf der Zeile 1 wurde beim ersten Impuls angenommen, dass der Schrittmotor ein Drehmoment M besitzt,das kleiner als ein positiver Referenzwert M. ist, und er z.B. entsprechend der Kennlinie C der Fig. 3 als Bremse wirksam ist, und beim zweiten Impuls, dass er ein Drehmoment M besitzt, das grös-

³ⁱ> ser als der positive Referenzwert M. ist, und er somit entsprechend der Kennlinie B der Fig. 3 als belasteter Motor arbeitet. Mit andern Worten: Der erste dargestellte Impuls des Ausgangssignals U₈ ist

breiter als der zweite dargestellte Impuls. Im Zeitdiagramm des Ausgangssignals IL wurde ausserdem noch als gestrichelte Horizontale der vorgegebene Pegel U_Ref dargestellt. Die Ausgangsspannung IL und U₁₁ bestehen aus rechteckförmigen negativgehenden und die. Ausgangsspannung U₁₀ aus rechteckförmigen positivgehenden Impulsen.

Die in der Fig. 6 dargestellte Schaltung ist ähnlich aufgebaut wie die in der Fig. 1 dargestellte Schaltung. Nur hier ist der erste Pol einer jeden Spule L1, L2, L3 und L4 mit Hilfe seiner beiden Schalter Tl, D1, T2, D2, T3, D3 bzw. T4, D4 auf unterschiedliche Pole der Gleichspannung U- geschaltet. Der in der Fig. 1 mit einem Pol des Widerstandes R verbundene Pol der Zenerdiode ZD ist nicht mehr auf den Widerstand R, sondern auf den in der Darstellung der Fig. 6 positiven Pol der Gleichspannung U₃ geführt, so dass der

..g zweite Schalter D1, D2, D3 bzw. D4 einer jeden Phase jeweils über den für alle Phasen gemeinsamen Strompfad, nämlich die Zenerdiode ZD, mit dem ihm zugehörigen Pol der Gleichspannung U₃ verbunden ist. Der erste Schalter T1, T2, T3 bzw. T4 einer jeden Spule L1, L2, L3 bzw. L4 ist dagegen seinerseits jeweils über den für alle Phasen gemein-

„_n samen Widerstand R mit dem ihm zugehörigen, an Masse liegenden Pol der Gleichspannung U₃ verbunden. Einer der beiden Pole des Widerstandes R bildet diesmal den Ausgang 12 der dargestellten Schaltung. Auch hier kann dem Widerstand R eine nicht dargestellte, in Durchlassrichtung gepolte Diode parallel geschaltet werden. Das Ausgangssignal am Ausgang 12 ist mit U₁₉ bezeichnet.

Das in der Fig. 7 dargestellte Zeitdiagramm entspricht annähernd dem in der Fig. 3 dargestellten Zeitdiagrarnm, nur dass das auf der zweiten Zeile dargestellte Ausgangssignal U₁₂ diesmal negativgehende Impulse besitzt.

Die in der Fig. 8 dargestellte Schaltung besteht aus dem Sequenzgeber 1, einem zweiphasigen Schrittmotor mit je einer Spule L1 bzw. L2 pro Phase, vier steuerbaren ersten Schaltern T1 bis T4, vier steuerbaren zweiten Schaltern T5 bis T8, acht Rücklussdioden D1 bis D8 und einem Ausgangswiderstand R. Jeder der beiden Pole einer jeden Spule L1 und L2 besitzt je zwei steuerbare Schalter T1, T5 bzw. T3, T7 bzw. T2, T6 bzw. T4, T8 und je zwei Rückflussdioden D1, D5 bzw. D3, D7 bzw. D2, D6 bzw. D4, D8, wovon die eine Hälfte jeweils den

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betreffenden Pol der Spule direkt mit einem Pol der Gleichspannnung U₃ und die andere Hälfte jeweils den betreffenden Pol der Spule über den für alle Phasen gemeinsamen Widerstand R mit dem anderen Pol der Gleichspannung U₃ verbindet. Einer der beiden Pole des Widerstandes R bildet auch hier den Ausgang 12 der Schaltung. Der Sequenzgeber 1 besitzt diesmal neben seinem Takteingang 2 acht Steuerausgänge, die mit je einem Steuereingang der acht steuerbaren Schalter T1 bis T8 verbunden sind. Auch hier kann dem Widerstand R eine nicht dargestellte, in Durchlassrichtung gepolte Diode parallel geschaltet werden.

Auch am Ausgang 12 der in den Figuren 6 und 8 dargestellten Schaltungen kann die in der Fig. 4 dargestellte Auswerteschaltung angeschlossen werden. Der Ausgang 12 ist allerdings dann mit dem nichtin- vertierenden Eingang des Komparators 9 zu verbinden, während diesmal der invertierende Eingang des Komparators 9 an der Referenzspannung U_Ref liegt.

Das in der Fig. 9 dargestellte Zeitdiagramm der Spannungen Uj., mit i = 1, 2, 3,..,8, entspricht annähernd dem in der Fig. 7 dargestellten Zeitdiagramm des Ausgangssignals U.^» nur dass jeder negativgehende Impuls hier auch negative Werte annimmt. Die Auswertung der Ausgangsspannungen U-J-. erfolgt gleich wie diejenige des in der Fig. 7 dargestellten Ausgangssignals U..«. Die Spannungen Uy. stellen jeweils den Spannungsabfall über einem der steuerbaren Schalter T1 bis T8 dar.

Funktionsbeschreibung

Das Verfahren zur Steuerung des Schrittmotors besteht darin, dass Schaltinipulse ermittelt werden, deren Dauer eine Funktion des Drehmomentes M des Schrittmotors sind, und dass anschliessend die Dauer eines jeden Schaltimpulses bei einem vorgegebenen Pegel U_{R f} ermittelt wird zur anschliessenden Erzeugung von mindestens einem Aus- gangsimpuls pro Schaltimpuls am Ausgang des Gatters 11 (siehe Fig. 4). Die Schaltimpulse werden durch das Umschalten der Spulen L1, L2, L3 und L4 des Schrittmotors erzeugt. Sie sind z.B. in der Fig. 1

Impulse eines Stromes, der mindestens in einer Rückflussdiode D1, D2, D3 bzw. D4 fliesst, und in den Figuren 6 und 8 Impulse eines Differenzstromes, der gleich ist der Differenz zwischen dem in einer Spule L1, L2, L3 bzw. L4 und dem in der spulenzugeordneten Rückflussdiode D1, D2, D3 bzw. D4 fliessenden Strom. Im Fall der Fig. 1 ist den Strömen in den Rückflussdioden D1, D2, D3 und D4 ein für alle Phasen gemeinsamer Strompfad zugeordnet, der mindestens aus einer Zenerdiode ZD und einem mit dieser in Reihe geschalteten Widerstand R besteht. In den Figuren 6 und 8 ist den Differenzströmen aller Phasen ein für alle Phasen gemeinsamer Strompfad zugeordnet, der mindestens aus dem Widerstand R besteht. Die Speisung der Phasen des Schrittmotors mit der Gleichspannung U₃ erfolgt in diesem Fall über den für alle Phasen gemeinsamen Widerstand R. Die Schaltimpulse können auch als Spannungen U₁-. an einem oder an den beiden Polen von mindestens einem der steuerbaren Schalter TI bis T8 abgegriffen werden. In diesem Fall stellt mindestens einer der beiden Pole von mindestens einem der steuerbaren Schalter T1 bis T8 einen Ausgang der Schaltung zur Ermittlung der Schaltimpulse dar. Die Schaltung zur Ermittlung der Dauer eines jeden Schaltimpulses' bei einem vorgegebenen Pegel

U_R - und zur anschIiessenden jeweiligen Erzeugung von mindestens

einem Ausgangsimpuls ist die Auswerteschaltung 9; 10; 11. In der Fig. 1 ist der Ausgang 8 und in den Figuren 6 und 8 der Ausgang 12 ein weiterer jeweils möglicher Ausgang der Schaltung zur Ermittlung der Schaltimpulse.

Die in der Fig. 1 dargestellte Schaltung arbeitet folgendermassen: Das Taktsignal U₂ wird im Sequenzgeber 1 auf an sich bekannte Weise in vier Steuersignale U₄, U₅, U_g und U₇ umgewandelt, deren zeitlicher Verlauf aus der Fig. 2 ersichtlich ist. Besitzen diese Steuersignale den Logikwert "1", so werden die zugehörigen steuerbaren ersten Schalter T1, T2, T3 bzw. T4 leitend und nehmen die zugehörigen Spulen L1, L2, L3 bzw. L4 in Betrieb. Es sind jeweils immer nur zwei Spulen gleichzeitig in Betrieb. Nach Ablauf einer Periode des Taktsignals wird eine der beiden Spule ausser Betrieb gesetzt und gleichzeitig eine andere in Betrieb genommen. Durch die Ausserbetriebsetzung der einen Spule fliesst deren Strom im ersten Augenblick voll über

die zugehörige Rückflussdiode, d.h. über den zugehörigen zweiten Schalter DI, D2, D3 bzw. D4, und über die Zenerdiode ZD sowie den Widerstand R ab gegen Masse, um dann anschliessend mit einer Zeitkonstante abzuklingen. Der Spannungsabfall dieses Stromes im Widerstand R ist gleich dem Ausgangssignal Ug und wird durch die leitende Diode D/falls vorhanden, auf einen Wert von annähernd 0,7 V begrenzt. Das Ausgangssignal Ug besteht somit aus einer Reihe nichtrechteckförmiger positivgehender Impulse.

Wie aus der Fig. 3 ersichtlich ist, stimmt die vordere Flanke dieser Impulse mit der vorderen Flanke des zugehörigen Impulses des Taktsignals U„ überein. Die zeitliche Breite der Ausgangsimpulse ist abhängig von der Last des Schrittmotors und kann daher dazu benutzt werden, das wirksame Drehmoment M des Schrittmotors zu ermitteln oder mit einem Grenzwert M, zu vergleichen. Das letztere geschieht mit Hilfe der in der Fig. 4 dargestellten Auswerteschaltung 9; 10; 11. Im Komparator 9 der Auswerteschaltung 9; 10; 11 wird das Ausgangssignal Ug mit einem vorgegebenen Pegel U_R - verglichen, die z.B. dem Grenzwert M, entspricht. U_Ref hat einen Wert kleiner 0,7 V, z.B.

gleich 0,2 V. Ueberschreitet das Ausgangssignal Ug nun die Referenzspannung U„ -, so erscheint, wie aus der Fig. 5 ersichtlich, für die Dauer dieser Ueberschreitung am Ausgang des Komparators 9 ein digitaler negativgehender Impuls der Dauer τ Die Dauer ^T, ist von der Breite der Impulse des Ausgangssignals Ug und damit vom wirk samen Drehmoment M abhängig. Die Dauer τ ist somit unterschiedlich für die beiden in der Fig. 5 dargestellten Impulse der Ausgangsspannung Ug des Komparators 9. Die negativgehende vordere Flanke der Impulse der Ausgangsspannung Ug starten jeweils den Multivibrator 10 (siehe Fig. 4), dessen Ausgangsspannung U₁₀ aus positivgehenden digitalen Impulsen konstanter Zeitdauer τ besteht, die bei Verwendung eines monostabilen Multivibrators als Referenzzeitwert dient. Die positivgehenden Flanken von U₁₀ stimmen zeitlich mit den negativgehenden Flanken von Ug Uberein.

Ist τ. ^s τ , wie dies beim ersten Impuls in der Fig. 5 der Fall ist, dann besitzen die beiden Eingänge des Gatters 11 nie gleichzeitig den Logikwert "1", so dass die Ausgangsspannung U₁₁ des

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Gatters 11 bei Verwendung eines Nand-Gatters konstant gleich dem Logikwert "1" ist.

Ist dagegen ^Tk"^e::rT _c> ^so besitzen nach Ablauf der Dauer ^T. und vor Beendigung der Dauer τ die beiden Eingänge des Gatters 11 kurzzeitig gleichzeitig einen Logikwert "1", so dass für diese Zeit τ_χ= τ- T^ die Ausgangsspannung U₁₁ des Nand-Gatters auf den Logikwert "0" heruntergeht. U₁₁ besitzt somit während dieser Zeit einen kurzen negativgehenden Impuls der Dauer ^T (siehe vierte Zeile der Fig. 5, zweiter Impuls).

Ist der Multivibrator 10 ein monostabiler Multivibrator, wird somit die Dauer eines jeden Schaltimpulses beim vorgegebenen Pegel U_{R f} mit dem Referenzzeitwert ^T verglichen und für jeden Schaltimpuls ein einziger Ausgangsimpuls erzeugt, wenn die Dauer des Schaltimpulses den Referenzzeitwert τ erreicht.

Ist dagegen der Multivibrator 10 ein astabiler Multivibrator, so wird die Dauer eines jeden Schaltimpulses dadurch ermittelt, dass das Gatter 11 die vom astabilen Multivibrator erzeugten Taktimpulse während der Dauer des Schaltimpulses freigibt, so dass die freigegebenen Taktimpulse anschliessend vom Zähler gezählt werden können.

Durch eine Regelung der Dauer ^T kann der Pegel des Drehmomentes M vorbestimmt werden, bei dem ein Signal am Ausgang der Auswerteschaltung 9; 10; 11 erscheint, und so z.B. der Schrittmotor angehalten werdenjbevor er ausser Synchronismus gerät. Diese Regelung und damit auch das ganze Verfahren können z.B. mit Hilfe eines Mikrocomputers realisiert werden. Dann ist der Multivibrator 10, das Gatter 11, der Sequenzgeber 1 und falls vorhanden der Zähler in der Regel ein Teil dieses Mikrocomputers und es wird für die Auswerteschaltung 9; 10; 11 nur mehr der Komparator 9 benötigt, der z.B. vom Typ LM 393 der Firma National Semiconductor ist.

Die in der Fig. 6 dargestellte Schaltung arbeitet ähnlich wie diejenige, die in der Fig. 1 dargestellt ist. Die zweiten Schalter

Dl, D2, D3 und D4, sowie die gemeinsame Zenerdiode ZD arbeiten hier als einfache RUckflussdioden. Der Motorstrom, der wie bereits erwähnt immer nur durch zwei der vier Spulen L1, L2, L3 und L4 fMesst, durchfliesst normalerweise den Widerstand R, in dem er einen Span nungsabfall erzeugt, der z.B. durch eine Diode D auf 0,7 V begrenzt wird, so dass die Ausgangsspannung U₁₂ einen hohen Wert besitzt. Wird jetzt zu Beginn eines Impulses des Taktsignals U₂ eine der beiden leitenden Spulen ausser Betrieb gesetzt, so fliesst deren Strom direkt über die Rückflussdioden ab, so dass die Spannung über dem Widerstand R kurzzeitig abnimmt und auf einen Wert von z.B. 0,4 V reduziert wird. Da gleichzeitig aber eine andere zweite Spule wieder in Betrieb genommen wird, steigt der Strom im Widerstand R anschliessen wieder mit einer Zeitkonstante an, so dass die Ausgangsspannung IL_? wieder ihren ursprünglichen Wert von 0,7 V annimmt.

Mit anderen Worten: Die Ausgangsspannung U₁₂ ähnelt der Ausgangsspannung Ug, nur dass ihre Impulse von 0,7 V bis 0,4 V negativgehend und diejenigen der Ausgangsspannung U„ von O V bis 0,7 V positivgehend sind. Auch hier sind die Breiten der Impulse des Ausgangssignals U₁₂ vom wirksamen Drehmoment M des Schrittmotors abhängig.

Die in der Fig. 8 dargestellte Schaltung arbeitet ähnlich wie diejenige, die in der Fig. 6 dargestellt ist. Ihr Ausgangssignal U₁₂ ist annähernd gleich dem in der Fig. 7 dargestellten Ausgangssignal U₁₂.

Wird mit einer der in den Figuren 6 oder 8 dargestellten Schaltungen die in der Fig. 4 dargestellte Auswerteschaltung verwendet, so muss der vorgegebene Pegel U_{R f} einen Wert zwischen 0,4 V und 0,7 V besitzen, dies unter der Voraussetzung, dass eine Diode D parallel zum Widerstand R geschaltet ist.

Bisher wurde der vorgegebene Pegel U_{R f} als konstant angenommen. Soll die Dauer τ = τ - τ temperatur- oder speisespannungsunabhängig sein, so ist dies leicht zu realisieren, indem der Pegel U_Ref temperatur- bzw. speisespannungs-abhängig erzeugt wird. Um der Auswerteschaltung 9; 10; 11 in diesem Fall eine grössere Emp-

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findlichkeit gegenüber Schwankungen des Pegels IL - zu geben, ist es von Vorteil, zwischen der in der Fig. 1, der Fig. 6 oder der Fig. 8 dargestellten Schaltung zur Ermittlung von Schaltiinpulsen und der nachfolgenden Auswerteschaltung 9; 10; 11 zur Ermittlung der Dauer eines jeden Schaltimpulses einen nicht dargestellten Integrator zu schalten, um die Flanken der Ausgangssignale Ug bzw. U₁₂ weniger steil zu machen.

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Claims

PATENTANSPRUECHE

1. Verfahren zur Steuerung eines von einer Gleichspannung (U₃) gespeisten Schrittmotors, der eine Spule (L1, L2, L3, L4) pro Phase besitzt und dem pro Spule (L1, L2, L3, L4) mindestens eine Rückflussdiode (D1, D2, D3, D4) und mindestens ein steuerbarer Schalter (T1, T2, T3, T4) zugeordnet sind, wobei alle steuerbare Schalter (TI, T2, T3, T4) von einem Sequenzgeber (1) gesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, dass Schaltimpulse ermittelt werden, deren Dauer eine Funktion des Drehmomentes (M) des Schrittmotors sind, und dass die Dauer eines jeden Schaltimpulses bei einem vorgegebenen Pegel (U_{R f}) ermittelt wird zur anschliessenden jeweiligen Erzeugung von mindestens einem Ausgangsimpuls, der Steuerzwecken dient.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer eines jeden Schaltimpulses bei einem vorgegebenen Pegel (IL _) dadurch ermittelt wird, dass die Dauer mit einem Referenzzeitwert (^T ) verglichen wird, und dass für jeden Schaltimpuls ein einziger Ausgangsimpuls erzeugt wird, wenn die Dauer des Schaltimpulses den Referenzzeitwert ( τ ) erreicht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer eines jeden Schaltimpulses bei einem vorgegebenen Pegel (U_Ref) dadurch ermittelt wird, dass während der Dauer des Schaltimpulses Taktimpulse freigegeben und die freigegebenen Taktimpulse anschliessend gezählt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltimpulse durch das Umschalten der Spulen (L1, L2, L3, L4) des Schrittmotors erzeugt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltimpulse Impulse sind eines Stromes, der mindestens in einer Rückflussdiode (D1, D2, D3 bzw. D4) fMesst.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass den Strömen in den Rückflussdioden (D1, D2, D3, D4) ein für alle Phasen gemeinsamer Strompfad zugeordnet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Realisierung des gemeinsamen Strompfades mindestens eine Zenerdiode (ZD) mit einem Widerstand (R) in Reihe geschaltet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem Widerstand (R) des gemeinsamen Strompfades noch eine Diode (D) in

Durchlassrichtung parallel geschaltet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltimpulse Impulse sind eines Differenzstromes zwischen dem in einer Spule (L1, L2, L3 bzw. L4) und dem in der spulenzugeordneten Rückflussdiode (D1, D2, D3 bzw. D4) fliessenden Strom.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass den

Differenzströmen alter Phasen ein für alle Phasen gemeinsamer Strompfad zugeordnet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Strompfad mindestens aus einem Widerstand (R) besteht.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass dem Widerstand (R) des gemeinsamen Strompfades noch eine Diode (D) in Durchlassrichtung parallel geschaltet wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass den Strömen in den Rückflussdioden (D1, D2_S D3, D4) ein für alle Phasen gemeinsamer Strompfad zugeordnet wird, der mindestens aus einer Zenerdiode (ZD) besteht.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltimpulse mindestens an einem der beiden Pole von mindestens einem der steuerbaren Schalter (T1 bis T8) abgegriffen werden.

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15. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltimpulse mindestens an einem der beiden Pole des Widerstandes (R) abgegriffen werden.

16. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltimpulse mindestens an einem der beiden Pole des Widerstandes (R) abgegriffen werden.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Pol einer jeden Spule (L1, L2,) des Schrittmotors mindestens je zwei steuerbare Schalter (T1, T5 bzw. T3, T7 bzw. 12, T6 bzw. T4, T8) und mindestens je zwei Rückflussdioden (D1, D5 bzw. D3, D7 bzw. D2, D6 bzw. D4, D8) zugeordnet werden.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass es mit Hilfe eines Mikrocomputers realisiert wird.

19. Einrichtung zur Steuerung eines von einer Gleichspannung (U,) gespeisten Schrittmotors, der eine Spule (L1, L2, L3, L4) pro Phase besitzt und dem pro Spule (L1, L2, L3, L4) mindestens eine Rückflussdiode (D1, D2, D3, D4) und mindestens ein steuerbarer Schalter (T1, T2, T3, T4) zugeordnet ist, wobei alle steuerbare Schalter (T1, T2, T3, T4) von einem Sequenzgeber (1) angesteuert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung eine Schaltung zur Ermittlung von Schaltimpulsen enthält, deren Dauer eine Funktion des Drehmomentes (M) des Schrittmotors sind, und dass die Einrichtung eine Schaltung besitzt zur Ermittlung der Dauer eines jeden Schaltimpulses bei einem vorgegebenen Pegel (U_{R f}) und zur anschliessenden jeweiligen Erzeugung von mindestens einem Ausgangsimpuls, der Steuerzwecken dient.

20. Einrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung zur Ermittlung der Dauer eines jeden Schaltimpulses bei einem vorgegebenen Pegel (U-J und zur anschliessenden jewei-Iigen Erzeugung von mindestens einem Ausgangsimpuls einen Komparator (9) enthält, von dem ein Eingang am vorgegebenen Pegel (U_R -) liegt

und dessen Ausgang einerseits direkt mit einem ersten Eingang eines Gatters (11) sowie anderseits über einen Multivibrator (10) mit einem zweiten Eingang des Gatters (11) verbunden ist.

21. Einrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Multivibrator (10) ein monostabiler Multivibrator ist und das Gatter (11) ein Und-Gatter ist bei der Erzeugung positivgehender Ausgangsirnpulse bzw. ein Nand-Gatter ist bei der Erzeugung negativgehender Ausgangsimpulse.

22. Einrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Multivibrator (10) ein astabiler Multivibrator ist und das Gatter (11) ein Und-Gatter ist, dem ein Zähler nachgeschaltet ist.

23. Einrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückflussdioden (D1, D2, D3, D4) aller Phasen über einen für alle Phasen gemeinsamen Strompfad mit einem Pol der speisenden Gleichspannung (U₃) verbunden sind.

24. Einrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Strompfad eine Zenerdiode (ZD) enthält, die mit einem Widerstand (R) in Reihe geschaltet ist.

25. Einrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass

dem Widerstand (R) des gemeinsamen Strompfades noch eine Diode (D) in Durchlassrichtung parallel geschaltet ist.

26. Einrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Strompfad mindestens eine Zenerdiode (ZD) enthält.

27. Einrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass

die Speisung der Phasen des Schrittmotors mit der Gleichspannung (U-) über einen für alle Phasen gemeinsamen Widerstand (R) realisiert ist.

28. Einrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Speisung aller Phasen des Schrittmotors mit der

Gleichspannung (U-) über einen für alle Phasen gemeinsamen Widerstand (R) realisiert ist und dass jedem Pol einer jeden Spule (L1, L2) des Schrittmotors mindestens je zwei steuerbare Schalter (T1, T5 bzw. T3, T7 bzw. T2, T6, bzw. T4, T8) und mindestens je zwei Rückflussdioden (D1, D5 bzw. D3, D7 bzw. D2, D6 bzw. D4, D8) zugeordnet sind, wovon die eine Hälfte jeweils den betreffenden Pol der Spule direkt mit einem Pol der Gleichspannung (U-) und die andere Hälfte jeweils den betreffenden Pol der Spule über den für alle Phasen gemeinsamen Widerstand (R) mit dem anderen Pol der Gleichspannung (U₃) verbindet.

29. Einrichtung nach einem der Ansprüche 24, 25, 27 bzw. 28, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der beiden Pole des Widerstandes (R) den Ausgang der Schaltung zur Ermittlung der Schaltimpulse darstellt.

30. Einrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass dem Widerstand (R) eine Diode (D) in Durchlassrichtung parallel geschaltet ist.

31. Einrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der beiden Pole von mindestens einem der steuerbaren Schalter (T1 bis T8) einen Ausgang der Schaltung zur Ermittlung der Schaltimpulse darstellt.

32. Einrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Sequenzgeber (1), der Multivibrator (10) und das Gatter (11) ein Teil eines Mikrocomputers ist.

33. Einrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Sequenzgeber (1), der Multivibrator (10), das Gatter (11) und der Zähler ein Teil eines Mikrocomputers ist.

34. Einrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Schaltung zur Ermittlung von Schaltimpulsen und der Schaltung zur Ermittlung der Dauer eines jeden Schaltimpulses ein Integrator zwischengeschaltet ist.