ARRANGEMENT FOR POSITIONING OF A STEPPING MOTOR IN A TELEPRINTER

Abstract: 1. An arrangement for operating a stepping motor (SM), in particular for positioning type carries (T) for printing devices or the like, employing a position locator (PG) assigned to the rotor, and an electric device which produces a rotary field and which has a digital control circuit (DG) designed in such a manner that the stepping motor (SM) is quickly independently of the target point, and subsequently operated in the freewheeling state as and when required, and decelerated in the braking phase by a motor braking characteristic which is digitally recorded in a store (BKS), characterized in that an additional analogue servo-control circuit (AF) is provided which in dependence upon the momentary signal value of the triangular position locator signal (PG) effects the analogue fine regulation to the target point as a zero passage of the triangular position locator signal (PG) in accordance with a commutator-controlled direct-current motor.

Description: Anordnung zur Positionierung einer Typenscheibe in einer Fernschreibmaschine Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Betrieb eines Schrittmotores, insbesondere zur Positionierung von Typenträgern in Druckeinrichtungen oder dergleichen unter Verwendung eines dem Rotor zugeordneten Positionsgebers. In der Fernschreib- und Schreibmaschinentechnik ist es allgemein bekannt, einen Typenträger, sei es ein Typenzylinder oder eine Typenscheibe über einen Schrittmotor voreinzustellen und dann z.B. über einen Druckhammer die voreingestellte Type zum Abdruck zu bringen. So wird in der DE-PS 21 56 093 eine Schreibmaschine mit durch einen Schrittmotor einstellbaren Typenzylinder beschrieben. Der Typenzylinder ist dabei mit einer als Positionsgeber dienenden Taktscheibe verbunden, die entsprechend der Anzahl der auf dem Typenzylinder angeordneten Typenspalten Markierungen aufweist, die über eine Abtasteinrichtung beim Voreinstellen des Typenträgers abgetastet werden. Der antreibende Schrittmotor steht über ein Getriebe mit dem Typenzylinder und der zugeordneten Taktscheibe in Verbindung. Bei der Voreinstellung von Typenträgern über Schrittmotoren ist es üblich, den Motor in der natürlichen Rastposition zum Stehen zu bringen. Die Zahl der Rastpositionen wird dabei mit Hilfe eines Getriebes so vervielfacht, dass diese mit der Zahl der Typenspalten oder bei der Verwendung von Typenscheiben mit der Zahl der Tmen- speichen übereinstimmt. Ein derartiges Getriebe vermin- dert die Ansteuergenauigkeit und unterliegt ausserdem verstärktem Verschleiss. Die Verwendung eines kommutatorgesteuerten Gleichstrommotores anstelle eines Schrittmotores ist jedoch wegen dem notwendigen Kommutator, dessen Lebensdauer und Zuverlässigkeit durch Verschleiss der Bürsten stark beeinträchtigt wird, nachteilig. Aufgabe der Erfindung ist es, für Druckeinrichtungen eine Anordnung zum Betrieb eines den Typenträger positionierenden Schrittmotores bereitzustellen,. der es ermöglicht, den Schrittmotor direkt mit dem vorzugsweise als Typen- scheibe ausgebildeten Typenträger zu verbinden. Der )Ty- penträger soll dabei möglichst exakt eingestellt werden können und kurze Einstellzeiten aufweisen. Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass der Schrittmotor in der Art eines kommutatorgesteuer- ten Gleichstrommotores betrieben wird, dass eine elektronische Einrichtung aus einer Mehrzahl von den Wicklungen des Schrittmotores zugeordneten Schaltern mit einer die Schalter wechselseitig betätigenden Schaltanordnung vorgesehen ist, und dass die elektronische Einrichtung derart aufgebaut ist, dass sie zum Betrieb des Schrittmotors ein in Abhängigkeit von dem Positionsgeber gesteuertes, gegenüber dem permanenten Rotorfeld des Schrittmotores um eine vorgegebene Phasendifferenz verschobenes Statorfeld erzeugt. Der Schrittmotor wird dabei in der Halteposition dadurch festgehalten, dass über eine logische Schaltungsanordnung das Statorfeld in Abhängigkeit vom analogen Regelsignal des Positionsgebers invertiert wird. Dadurch, dass mit der elektronischen Einrichtung analog zu einem Gleichstrommotor ein "elektronischer Kommutator gebildet wird, hat der antreibende Schrittmotor die Vorteile eines Gleichstrommotors, ohne dabei die Nachteile eines echten Kommutators, dessen Lebensdauer und Zuverlässigkeit durch Verschleiss der Bürsten stark beeinträchtigt ist, aufzuweisen. Entsprechend der Anzahl der verwendeten Speichen bei einer Typenscheibe kann der Schrittmotor durch Invertierung des Statorfeldes in diesen Raststellungen exakt festgehalten werden. Zur Voreinstellung der Typenscheibe ist bei einer vorteilhaften Ausfuhrungsform der Anordnung ein digitaler Regelkreis vorgesehen, der derart ausgebildet ist, dass in Abhängigkeit von einem durch eine Zieladresse vorgegebenen Zielpunkt zunächst über die ein Drehfeld erzeugende elektronische Einrichtung der Schrittmotor bis zu einer von der momentanen Entfernung bis zurZielposition abhängigen, in einem Speicher gespeicherten Drehzahl maximal beschleunigt wird, wobei sich an diese Beschleunigungsphase und an eine bedarfsweise vorgesehene Phase konstanter Drehgeschwindigkeit eine Bremsphase anschliesst, in der durch Abruf einer in einem Speicher gespeicherten Bremskurve bis in den Umgebungsbereich des Zielpunktes der Schrittmotor abgebremst wird, und bei der ein zusätzlicher analoger Servoregelkreis vorgesehen ist, der in Abhängigkeit von der Signalamplitude des Positionsgebersignals die Feinregelung bis zum Zielpunkt vornimmt. Mit einer derartigen Ansteueranordnung ist es möglich, die Steuerung und Positionierung der Typenscheibe zunächst digital vorzunehmen. Im Bereich der Abdruckposition wird dann durch einen analogen Regelvorgang die geforderte Präzision der Typen einstellung für den Abdruck erreicht. Damit vereint die erfindungsgemässe Anordnung die Vorteile der digitalen Ansteuerung über den Schrittmotor mit den Vorteilen der präzisen Einstellmöglichkeit durch einen Servogleichstrommotor. Mit einer derartigen Anordnung ist auch eine besonders schnelle Einstellung des Typenträgers möglich, da sowohl das optimale Beschleunigungs- als auch das Bremsverhal- ten besonders gespeichert ist und deshalb bei jedem Be- schleunigungs- und Bremsvorgang abgerufen werden kann. Ausführgsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden beispielsweise näher beschrieben. Es zeigen Fig. 1 ein Blockschaltbild der Anordnung zur Positionie rung einer Typenscheibe in einer Fernschreibma schine, Fig. 2 eine schematische Darstellung der Ausgangssignale des Positionsgebers, Fig. 3 eine schematische Darstellung der Ansteuerung des Drehfeldes als Funktion der Position des Rotors des Schrittmotores, Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Dreiphasen Schrittmotores bei Betrieb mit offener Wicklung, Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Dreiphasen Schrittmotores bei Betrieb mit kurzgeschlossener Wicklung, Fig. 6 eine schematische Darstellung des Motordrehmomen tes zur Kompensation der natürlichen Rast, Fig. 7 ein Signal zur Darstellung der Umschaltfrequenz des Drehfeldes, Fig. B ein Prinzipschaltbild der Anordnung zur Positionie rung einer Typenscheibe in einer Fernschreibmaschi ne, Fig. 9 eine schematische Darstellung des eigentlichen Po sitioniervorganges, Fig.10 eine schematische Darstellung der Ausgangssignale des Positioniergebers beim Positioniervorgang, Fig. 11 eine schematische Darstellung des Analogregel kreises, Fig. 12 ein Blockschaltbild des Betragsbildners und Fig. 13 ein Blockschaltbild des verwendeten Zweipunkt Stromreglers. Die in der Fig. 1 dargestellte Anordnung zur Positionierung einer Typenscheibe in einer Fernschreibmaschine besteht aus einem Dreiphasen-Schrittmotor SM, dessen Läufer fest mit einer Typenscheibe T und einem inkrementalen optischen Positionsgeber PG gekoppelt ist. Dieser inkrementale optische Positionsgeber PG enthält eine Taktscheibe TS, die entsprechend der Anzahl der verwendeten Speichen an der Typenscheibe T Fenster aufweist, die über eine hier nicht dargestellte optische Anordnung abgetastet werden. Die Positionieranordnung bildet zusammen mit dem Schrittmotor einen geschlossenen Regelkreis, wobei zur exakten Positionierung ein bedarfsweise über eine Schalteinrichtung SE zuschaltbarer digitaler Grobregelkreis DG und zur Feinregelung in die Sollposition ein analoger Feinregelkreis AF vorgesehen ist. Die Regelkreise AF, DG stehen jeweils mit einem dem Schrittmotor ansteuernden Drehfeldschalter DS, einem Zweipunkt-Stromregler SR und einer dreiphasigen Leistungsbrücke L3 in Verbindung. ttber eine hier nicht dargestellte bekannte Eingabevorrichtung wird dem Regelkreis das Signal für die Sollposition SP der Typenscheibe T zugeführt. Nach erfolgter Einstellung der Typenscheibe T erfolgt über ein DruckhaFmerfreigabe- signal HF die Freigabe und Auflösung des den Abdruck hervorrufenden Druckhammer 5. Entsprechend der Darstellung der Fig. 2 liefert der Positionsgeber PG ein dreieckförmiges Regelsignal RS, das in der Fig. 2 in Abhängigkeit von dem Drehwinkel DW des Schrittmotores dargestellt ist. Neben diesem Regelsignal RS wird ausserdem noch zur Synchronisation des Positioniersystems ein rechteckförmiges Indexsignal ID und ein gegenüber dem Regelsignal RS um 900 versetztes TTL-Signal, aus dem die Bewegungsrichtung der Typenscheibe abgeleitet wird, abgegeben. Das dreieckförmige Regelsignal RS wird für den Analogregelvorgang der exakten Positionierung benötigt; Die- jenige Flanke des Regelsignals RS,bei der das Potential des TTL Signales auf Null liegt, ist der abdruckbaren Position zugeordnet. Dieser Bereich entspricht dem Feinregelungsbereich. Die Abweichung vom Potential Null des Regelsignals RS in der Umgebung der Abdruckstelle A wird im Feinregelbereich in einen proportionalen Motorstrom zur Ansteuerung des Schrittmotores SM umgesetzt. Im Nulldurchgang A wird abhängig vom Vorzeichen über den Drehfeldschalter DS das Drehmoment invertiert, wodurch die Position der Typenscheibe festgehalten wird. Die unterhalb der Kurve für das Regelsignal RS dargestellten schraffierten Bereiche AP definieren den Freigabebereich in der Umgebung der Abdruckposition A, bei der der Druckhammer betätigt wird. Als Antrieb für die Typenscheibe dient ein kollektorloser vierpoliger Dreiphasen-Schrittmotor SM. Dieser Schrittmotor hat gegenüber einem kommutatorgesteuerten Gleichstrommotor den Vorteil, dass er verschleissfreier arbeitet und ausserdem geringere Aussenmasse aufweist. Für den Antrieb ist es jedoch erforderlich, entsprechend der Erfindung ein elektronisches Drehfeld zu erzeugen und dieses entsprechend anzusteuern. Bei einer Umdrehung des Rotors des Schrittmotors SM werden die einzelnen Phasen P7, P2 und P3 entsprechend der Darstellung der Fig. 3 und 4 über eine Leistungsbrücke LB wechselseitig an einen Stromgenerator geschaltet. Damit ergibt sich der in der Fig. 3 dargestellte Spannungsverlauf U an den Motorphasen P1, P2 und P3. Der Stromver lanf I in einer Motorphase P1 ist ebenfalls in der Fig. 3 dargestellt. Die Abszisse des Signaldiagramms der Fig. 3 bildet ausgehend vorder Synchronisatioqsstellung der Drehwinkel DW mit seinen einzelnen bei Schrittmotorbetrieb mit einer kurzgeschlossenen Wicklung auftretenden Rastpositionen 0-11. Damit ein Drehmoment an der Motorwelle abgegeben werden kann, muss das Statorfeld des Schrittmotores SM zu dem permanenten Rotorfeld um einen vorgegebenen Phasendifferenzwinkel PD phasenverschoben sein. Damit ist das Drehmoment theoretisch proportional dem Betrag von Sinus PD und dem Motorstrom, der das Statorfeld aufbaut. Bei homogenem Feldverlauf ist das Maximum bei einem Phasendifferenzwinkel PD von 900 (Mitte zwischen Stator und Rotorfeld) erreicht. Der Schrittmotor SM wird dabei entsprechend der Darstellung der Fig. 4 so angesteuert, dass von den drei Anschlüssen jeweils nur zwei bestromt werden, wobei in den Darstellungen der Fig. 4 und 5, i den Stromvektor und Pl, P2, P3 die Phasen bezeichnet. Die Feldumschaltung des Drehfeldes erfolgt im Bereich von +/- 300. Damit ergeben sich zwölf in der Fig. 3 dargestellte Umschaltpunkte. Bei einer Typenscheibe mit 108 belegbaren Positionen wird über die Ansteueranordnung nach jeweils 9 überlaufenden Zeichenteilungen des Positionsgebers PG das Statorfeld weitergeschaltet. Für die einwandfreie Funktion des Motors SM ist es erforderlich, den Stand des Statorfeldes ebenso wie den der Typenscheibe auf die Synchronisationsstellung zu beziehen. Bei statischer Bestromung wird die Ausgangsstellung des Statorfedes ermittelt und daraufhin die Abtastscheibe TS des Positionsgebers PG ausgerichtet. Die erforderliche Pkasendifferen2 von 900 erzeugt die Ansteueranordnung, wobei durch diesen erzeugten elektronischen Kommutator sich der Schrittmotor wie ein kommutatorgesteuerter Gleichstrommotor mit zwölf Eollektorlamel- len verhält. Ein für Schrittmotoren typischer Betrieb mit einert30 - Steuerung (Fig. 4, Fig. 5), bei der wechselweise ein Wicklungsanschluss freibleibt bzw. zwei Wicklungen'paral- lel betrieben werden, hat bei der vorliegenden Anordnung Nachteile. Durch den vollständigen Stromabbau in, der jeweils kurzgeschlossenen Wicklung treten verstärkt Wirbel stromverluste auf. Die untersohiedliche Leistungsaufnahme beim Umschalten von der Betriebsweise nach Fig. 4 auf eine Betriebsweise nach Fig. 5 bedingt Drehmomentschwankungen. Um den Schrittmotor in Abdruckposition A festzuhalten' wird über die Ansteueranordnung entsprechend der Darstellung der Fig. 6 das angebotene Drehfeld über den Drehfeldschalter DS invertiert, was einer Phasendrehung von 1800 entspricht. In der Fig. 6 bezeichnet der Vektor BR das Rotorfeld, M1 das Statorfeld mit zugehörigem inversen Statorfeld M2, M das resultierende Drehmoment und LW den Lastwinkel des Schrittmotores SM. Die Umschaltung des Drehfeldes erfolgt mit einer Frequenz von ca. 5 kHz, wobei das Steuersignai für diesen Vorgang der Positionsgeber PG über das Vorzelt chen des analogen Regelsignales RS liefert. Die Fig. 7 zeigt dabei eine schematische Darstellung des Stromverlaufes im Schrittmotor I in Abhängigkeit von der Zeit. Dabei entspricht TL und TR der Einschaltdauer für den Links- bzw. Rechtslauf des Rotors. Als resultierendes Moment M (Fig.6) in Abdruckposition A ergibt sich damit M = M1.TL.sinus LW-M2TRsinus LW. Die Fig. 8 zeigt ein gegenüber der Darstellung der Fig. 1 erweitertes Blockschaltbild der erfindungsgemässen Ansteueranordnung. Der digitale Grobregelkreis ist dabei strichpunktiert umrahmt. Er funktioniert in folgender Weise: Der digitale Grobregelkreis DG erhält seine Signale zur Bestimmung der Position RS (digitalisiert: RSD) und Dreh richtwag TTL über den Positionsgeber PG. Ausgehend von der Syichronstellung wird die Positionieradresse SP über eine Vergleichseinrichtung VG mit der jeweiligen Istpo SitiOç 5 die über eine Auswerteschaltung AUS ermittelt wird, ve^s ichen. Damit wählt der digitale Regelkreis über ee logische Anordnung LA die Drehrichtung, welche de kürzeste Verbindung zur neuen Position liefert und steuer diese mit maximalen Moment (Konstantstrom) an Der Digitalregelkreis DG vergleicht dabei die jeweilige Geschwindigkeit anhand der Zeit zwischen den Nulldurchgängen des Ausgangssignales RS des Positionsgebers mit dem Sollwert und entscheidet ob beschleunigt, gebremst oder auf Freilauf umgeschaltet wird. Die Vollbremsung geschieht dabei durch Stromumkehr, und findet daher mit maximalen Moment (Konstantstrom) statt. Ist die Sollposition erreicht und die abzudruckende Type im Umgebungsbereich der Abdruckstelle A (Fig. 2), so wird auf den analogen Feinregelkreis AF umgeschaltet, der die Feinregelung auf die Abdruckposition übernimmt. Erst mit einer neuen Adresse oder durch mechanisches Herausdrehen der Typenscheibe wird der digitale Regelkreis DG wieder aktiv. Die Positionierung zur nächsten Position der Typenscheibe erfolgt über die kürzeste Entfernung anhand einer in der Fig. 9 dargestellten Geschwindigkeitskurve. Das Dreeid ist dabei so ausgeiegt daB der Motor seine maximale Drehgeschwindigke- von ca. 1400 Umdrehungen je Minute schon nach ca. 20 überlaufenden Zeichenteilungen (70 - DREHUNG) erreicht. Entsprechend der Darstellung der Fig. 9, bei der die Umdrehungsgeschwindigkeit des Motors des Schrittmotores SM (Ordinate) in Abhängigkeit von der Entfernung (Abszisse) zwischen zwei Positionierpunkten A und B dargestellt ist, erfolgt die Positionierung von der Anfangsposistion AN bis zur Endposition B wie folgt: Der Motor SM wird bis zur Position C zunächst voll beschleunigt. Der Punkt C ist die Position, wo die von der Bremskurve vorgegebene Geschwindigkeit erreicht wird. Dieser Beschleunigungsphase schliesst sich eine Phase konstanter Geschwindigkeit (Freilauf) vom Punkt C zum Punkt C1 an. Ab dem Punkt C1 bis zum Sollpunkt B wird der Motor entsprechend der dargestellten Bremskurve, die in ihrem Verlauf in dem Bremskurvenspelcher BES gespeichert ist, abgebremst. Die Bremskurve enthält die Beziehung zwischen der Geschwindigkeit und der Entfernung bis zur Sollposition B für einen optimalen Bremsvorgang. Sie ist so ausgelegt, dass der von den magnetischen Toleranzen des Motores her gesehen ungünstigste Fall berücksichtigt wird, so dass der Motor in der Sollposition B ohne wesentliches Uterschwingen zum Stehen kommt. Stärkere Motoren haben auch ein entsprechend bes- seres Bremsverhalten. Dies wird durch laufendes Umsohei- ten zwischen Bremsung und Freilauf entsprechend der dar- gestellten treppenförmigen Bremskurve ausgeglichen. Je dem Motor kann dabei eine spezielle Bremskurve zugeordnet sein. Uber die in Form von Zwischenzeiten gespeicherte Bremskurve. wird die Winkelgeschwindigkeit des Schrittmotores SM soweit vermindert, dass die vollständige Abbremsung in der Umgebung der Soliposition B von dem Analog-Feinregelkreis AF durchgeführt werden kam. Die eigentliche Abbremsung erfolgt dadurch, dass zu Beginn jeder Periode des empfangenen Positionsgebersignals RS die gemessene Istgeschwindigkeit mit dem vorgegebenen Wert verglichen wird. Abhängig davon wird während dieser Signalperiode auf Bremsen oder Freilauf geschaltet. Wenn die Entfernung zur Sollposition kleiner als funf Zeichenteilungen ist, wird dieser Vergleich in jeder halben Zeichenteilung durchgeführt. In der vorletzten halben Zeichenteilung vor der Sollposition wird abhängig von der gemessenen Geschwindigkeit gewahlt zwischen Freilauf, einem kurzen oder einem langen Bremsimpuls. In der letzten halben Zeichenteilung vor der Sollposition wird der Motor mit einem von der gemessenen Geschwindigkeit in seiner Dauer abhängiger Bremsimpuls beaufschlagt. Damit wird erreicht, dass der Motor mit angepasster Geschwindigkeit in die Sollposition einläuft. Im Bereich der Sollposition B wird die Positionierung von dem analogen Re gelkreis AF übernommen, der den Motor in die exakte Position bringt. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass die Ausgangspunkte AP und die Zielpunkte B dichter beieinander liegen, so dass dazwischen keine Freilaufperiode notwendig ist. Ein derartiger BeschleuniOrungs- und Bremskurvenverlauf ist in der Fig. 9 zwischen den Punkten Al, den Punkten C2 und dem Punkt B dargestellt. Eine genaue Darstellung des Positioniervorganges.vom Punkt AN bis Punkt B ergibt sich aus der Fig. 10, in der das Regelsignal RS in Abhängigkeit von der Zeit (Abszisse) dargestellt ist. Auch hier erkennt man den Beschleunigungsbereich vom Punkt AN bis zum Punkt C. An diesen Beschleunigungsbereich schliesst sich ein Bereich konstanter Drehzahl an, der hier nicht dargestellt ist und im Bereich zwischen den Punkten C1 und dem Sollpunkt B folgt die eigentliche Abbremsung. innerhalb des Verzögerungsbereiches V unterscheidet man den Bereich V1, bei dem der Vergleich zwischen Ist- und Sollwert zu Beginn jeder Periode des Regelsignales RS stattfin- det, wobei die Dauer einer Periode des Regelsignales RS einer Zeichenteilung entspricht. Im Abstand von fünf Zeichenteilungen von der Sollposition B erfolgt der Vergleich zwischen Soll- und Istwert der Geschwindigkeit in jeder halben Periode des Signales RS, womit sich die Bereiche V2, V3 und V4 ergeben. In der letzten halben Zeichenteilung V4 vor dem Erreichen der Sollposition B wird die Geschwindigkeit des Schrittmotores auf eine konstante Zieleinlaufgeschwindigkeit ab gestimmt. Die weitere Positionierung wird dann von dem analogen Feinregelkreis AF übernommen. Man unterscheidet also bei der Positionierung zwischen dem digitalenRegel- bereich DRB und dem analogen Regelbereich ARB. Zur Feinregelung der Typenscheibe in die Abdruckposition ist der in der Fig. 11 dargestellte analoge Regelkreis vorgesehen. Während der analogen Regelphase ARB wird ausgehend von einer Auswerteschaltung AUS über die Steuerung DRS einem Inverter IN ein richtungskonstantes Drehfeld angeboten, wobei der Inverter IN die Aufgabe hat, nach Erreichen der Abdruckposition das Drehfeld über den Drehfeldschalter DS zu invertieren, um damit den Motor in Abrufposi- tion festzuhalten. Der analoge Feinregelkreis verwendet als Stellgrösse die Amplitude des analogen Gebersignals RS des Positionsgebers PG, wobei das Motormoment in Abhängigkeit von dieser Grösse in Betrag und Amplitude so geregelt wird, dass der Motor mit einer gedämpften Bewegung im Nulldurchgang der Regelflanke zur Ruhe kommt. Zur Überwachung ist ein hier nicht dargestellter zusätzlicher Verstärker angeordnet, dem dieses Gebersignal RS zugeführt wird und dessen Ausgangssignal anzeigt, ob die Typenscheibe genügend genau in der Abdruckposition steht. Ist die Abdruckposition erreicht, wird über die Auswerteschaltungsanordnung AUS nach einer vorbestimmten Zeit von ca. 2 ms, während der sich die Position nicht mehr ändern darf, der Abdruck freigegeben Nach dem Abdruck wird die Verstärkung des analogen Feinregelkreises soweit abgesenkt, dass der Motor noch sicher auf der Regelflanke steht, ein Störgeräusch durch die ständige Drehfeldinvertierung über den Inverter IN e- doch nur schwach hörbar ist. Der analoge Feinregelkreis AF enthält einen Proportional Differentialregler PD, dem ein Integralregler IR uberla- gert ist. Dem PD-Regler nachgeschaltet ist ein Betrag bildner 33 der über einen Zweipunkt-Stromregler SR mit dem Drehfe±dschalter DS in Verbindung steht Der Integralregmer IR hat dabei die Aufgabe, die Verstär kung für annähernd statische Signale bei geringer Winkel geschwindigkeit oder Stillstand stark anzuheben, wodurch der Einfluss des permanenten Motorrastmomentes unterdrückt und eine bessere Positioniergenauigkeit erreicht wird. Für schnelle Bewegungen ist dieser Integralregler IR praktisch ohne Wirkung. Der Proportional-Differentialregler PD hat die Aufgabe, die nacheilende mechanische und elektrische Phasenverschiebung des Motors zu kompensieren. Der Verstärkungsverlauf ist dabei der Motorbewegung so angepasst, dass die Dämpfung der Drehbewegung im Nulldurchgang des Ausgangssignales des Positionsgebers RS erfolgt. Damit wird die Schwingneigung des gesamten Regelkreises stark bedämpft. Das Ausgangssignal des Proportional-Differentialreglers PD wird einerseits dem Inverter IN zugeführt, anderer seits einem Betragsbildner BE, der die Abweichung vcm Nullpunkt in eine proportionale Gleichspannung umsetzt. Diese Gleichspannung wird im Zweipunkt-Stromregler SR in einen proportionalen Strom und damit in ein proportionales Motormoment umgesetzt. Der in der Fig. 12 dargestellte Betragsbildner ist ein Präzisionsgleichrichter mit geringem Nullpunktfehler. Er besteht aus zwei Operationsverstärkern OPI und OP2, die einen gemeinsamen Ausgang haben und die so geschaltet sind, dass ein Verstärker den Verstärkungsfaktor l: und der andere den Verstärkungsfaktor -1 aufweist. Zu diesem Zwecke ist der erste Operationsverstärker OP1 mit seinem inversen Eingang direkt und der zweite Operationsverstärker OP2 mit seinem inversen Eingang über einen Widerstand R7 von 10 kOhm auf den gemeinsamen Ausgang UA gekoppelt. Das Eingangssignal wird dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP2 über einen Widerstand R2 (10 kohm) und dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers OPI direkt zugeführt. Die Spannung am gemeinsamen Ausgang UA des Operationsverstärkers OP1 und OP2 entspricht damit dem negativen Betrag der Eingangsspannung UE Wie vorhergehend beschrieben, wird der Schrittmotor mit eingeprägtem Strom betrieben, der in der Zielposition (Abdruckstelle) auf Null geregelt werden kann. Dies geschieht entsprechend der Darstellung der Fig. 13 über den Drehfeldschalter DS, der über eine Leistungsbrücke LB mit Darlington-Transistoren T den Schrittmotor SM mit entsprechendem Strom beaufschlagt. Fur die Freilaufphase wird die Drehstrom-Leistungsbrücke LB gesperrt und der Motor damit stromlos geschaltet. Der Zweipunktregler selbst arbeitet mit einer festen Frequenz von ca. 40 kHz, die einem Operationsverstärker OP3 zuge- führt wird. In diesem Operationsverstärker wird das über einen Widerstand R3 gemessene vorverstärkte Stromsignal im analogen Regelkreis AF dem Ausgangssignal des Betragsbildners BE oder im digitalen Grobregelkreis DG einer konstanten Spannung verglichen und damit ein Schalttransistor ST angesteuert. Entsprechend dem Ansteuersignal an seiner Basis beaufschlagt der Schalttransistor ST über eine Speicherdrossel L den Schrittmotor SM mit Betriebsspannung von ca. 40 V. Beim Ausschalten des Schalttransistors ST ist es zur Vermeidung von Steuerungenauigkeiten am Motor notwendig, die in der gesamten Schaltungsanordnung gespeicherte Energie schnell abzubauen. Dies geschieht mit Hilfe eines Rückspeisetransformators RT, dessen Primärwicklung über eine Freilaufdiode D3 mit dem Ausgang des Schalttransistors ST und dessen Sekundärwicklung über eine Rückspeisediode D2 mit der Gleichspannung S in Verbindung steht. Die Wicklungen des Rückspeisetransformators RT sind elektrisch gegenläufig angeschlossen, wobei das Ubersetzungsverhältnis 1:2 beträgt. Der Rückspeisetransformator RT baut die im ausgeschalteten Zustand des Schalttransistors ST im Schaltkreis gespeicherte Energie dadurch ab, dass er sie in die Spannungsversorgung S zurückspeist. Im abgeschalteten Zustand des Schalttransistors ST liegt der Ausgang des Schalters ST infolge der Speicherdrossel L auf einem Potential von -20 V. Diese Spannung führt am Rückspeisetransformator RT sekundärseitig zu einer Spannung von 40 V, womit über die Rückspeisediode D2 eine Rückspeisung der gespeicherten Energie in die Gleichspannungsquelle S erfolgt. Zusätzlich zu den Dioden D2 und D3 ist eine weitere Freilaufdiode D1 zwischen dem Ausgang der Speicherdrossel L und der Spannungsquelle S angeordnet. Die dem eigentlichen Schrittmotor zugeordnete Freilaufdiode D1 hat die Aufgabe, beim Blockieren der Transistoren T über die Drehfeldsteuerung DS die in der Speicherdrossel L gespeicherte Energie in die Gleichspannungsversorgung S zurückzuführen. 9 Patentansprüche, 13 Figuren Bezugszeichenliste SM Dreiphasenschrittmotor T Typenscheibe PG Positionsgeber TS Taktscheibe SE Schalteinrichtung DG digitaler Grobregelkreis AF analoger Feinregelkreis DS DS Drehfeldschalter SR Stromregler LB Leistungsbrücke SP Sollposition Druckhammer-Freigabe signal RS Regelsignal des Positionsgebers RSD digitalisiertes Regelsignal des Positionsgebers DW Drehwinkel ID Indexsignal (Synchronisation) TTL Drehrichtungssignal A Abdruckposition AP Freigabebereich Pl, P2, P3 Phasen U Spannungsverlauf an den Motorphasen PD Phasendifferenzwinkel 0,1, 2 .. 11 Indexpunkte I Strom in den Phasen BR Rotorfeld Ml Statorfeld M2 inverses Statorfeld LW Lastwinkel TL, TR Links- bzw. Rechtslauf LA logische Anordnung AUS Auswerteschaltungsanordnung BEE Bremskurvenspeicher VG Vergleicher AN Anfangsposition B Endposition C,C2 Beschleunigungsendpunkte C7 Ende der Freilaufphase V1 bis V4 Verzögerungsbereiche DRB Digitalregelbereich ARB analoger Regelbereich IR Integralregler PD Proportional-Differentialregler IN Inverter BB Betragsbildner OP1, OP2, OP3 Operationsverstärker UA Ausgang UE Eingang R1 bis R3 Widerstände T Transistoren ST Schalttransistor Speicherdrossel RT Rückspeisetransformator D3 Freilaufdiode D2 Rückspeisediode D1 Freilaufdiode

Claims: Patentansprüche 1. Anordnung zum Betrieb eines Schrittmotores, insbeson- dere zur Positionierung von Typenträgern in Druckeinrichtungen oder dergleichen unter Verwendung eines dem Rotor zugeordneten Positionsgebers, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Schrittmotor (SM) in der Art eines kommutatorgesteuerten Gleichstrommotore s dadurch betrieben wird, dass eine elektronische Einrichtung aus einer Mehrzahl von den Wicklungen (Pl, P2, P3) des Schrittmotores (SM) zugeordneten Schaltern (T) mit einer die Schalter wechselseitig betätigenden Schaltanordnung (DS) vorgesehen ist, und dass die elektronische Einrichtung derart aufgebaut ist, dass sie zum Betrieb des Schrittmotores (SM) ein in Abhängigkeit von dem Positionsgeber (PG) gesteuertes, gegenüber dem permanenten Rotorfeld des Schrittmotores um eine vorgegebene Phasendifferenz verschobenes Statorfeld erzeugt. 2. Anordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Schrittmotor (SM) in einer Halteposition dadurch festgehalten wird, dass über eine logische Schaltungsanordnung (IN) das Statorfeld in Ab hängigkeit vom analogen Regelsignal (RS) des Positionsgebers (PG) invertiert wird. 3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Schrittmotor (SM) als dreipoliger Schrittmotor ausgebildet ist, von dessen drei Anschlüsse im Betrieb nur jeweils zwei bestromt werden. 4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e Ir e n n z e 1 0 h n e t , dass die vorgegebene Phasendifferenz 600 bis 1200 beträgt. 5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d 12 r c a g e k e n n z e i c h n e t , dass ein di glWa er Regelkreis () vorgesehen ist, der derart aus gebildet ist, dass in Abhängigkeit von einem durch eine Zieladresse vorgegebenen Zielpunkt (B) zunächst über die ein Drehfeld erzeugende elektrische Einrichtung (DS, L3) der Schrittmotor (SM) bis zu einer von der momentanen Ents fernung bis zur Zielposition (B) abhängigen, in einem Speicher (BKS) gespeicherten Drehzahl maximal beschleunigt wird, und dass sich an diese Beschleunigungsphase oder an eine bedarfsweise vorgesehene Phase konstanter Drehgeschwindigkeit eine Bremsphase anschliesst, in der durch Abruf einer in einem Speicher (BKS) gespeicherten Bremskurve bis in den Umgebungsbereich des Zielpunktes (3) der Schrittmotor abgebremst wird, und dass ein zusätzlicher analoger Servoregelkreis (AF) vorgesehen ist, der in Ab- hängigket von der Signalamplitude des Positionsgebersi- gnals (PG) die Feinregelung bis zum Zielpunkt vornimmt. 6. Anordnung nach eines der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c b g e k e n n z e i c h n e t , dass die Ausgangs signale des Positionsgebers aus einem ersten dreieckförmigen, flankenweise den abdruckbaren Zielpunk en zugeordneten Signal (RS) und einem zweiten gegenüber dem ersten Signal um einen Phasenwinkel verschobenen Rechtecksignal (TTL) zur Ableitung der Bewe- gungsrichtung und einem weiteren dritten Signal (ID) zur Synchronisation bestehen. 7. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der analoge Regelkreis einem dem Positionsgeber (PG) nachgeschalteten Proportional-Differentialregler (PD) mit überlagertem Integralregler (I) enthält, und dass das Ausgangssignal des PD-Reglers einem die Abweichung vom Nullpunkt in eine die proportionale Gleichspannung umsetzenden Betragsbildner (BB) zugeführt wird, der wie derum über einen Zweipunktreglr (SR) mit der den Schrittmotor (sM) ansteuernden elektronischen Einrichtung (DS) in Verbindung steht. 8. Anordnung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Betragsbildner (BB)zwei Operationsverstärker (OP1, OP2) mit gemeinsamen Ausgang enthält wobei der erste Operationsverstärker (OP1) mit seinem inversen Eingang direkt, und der zweite Operationsverstärker (OP2) mit seinem inversen Eingang über einen ersten Wider- stand (R7) mit dem gemeinsamen Ausgang (UA) gekoppelt ist, und dass der zweite Operationsverstärker (OP2) mit seinem inversen Eingang über einen zweiten Widerstand (P.2) glei- cher Grösse und der erste Operationsverstärker (OP1) mit seinem nicht invertierenden Eingang direkt mit dem gemeinsamen Eingang gekoppelt ist. 9. Anordnung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k. e n n z e i c h n e t , dass der Zweipunktregler (SR) einen Rückspeisetransformator (RT) enthält, der derart angeordnet ist, dass er im abgeschalteten Zustand die dem Schrittmotor (SM) entzogene Energie über eine schnelle Schaltdiode (D2) in die gemeinsame Spannungsversorgung (S) zurückspeist.

Inventors: GIEBLER, FRITZ, ING. GRAD., HAUNSTETTER, FRANZ, DIPL.-ING., VAN DER WOERD, GERARD, DIPL.-ING.
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1981
Main classification: H02P8
IPC codes: H02P8, G05B19, B41J1