LOAD ANGLE-DEPENDENT CURRENT CONTROL FOR A STEPPING MOTOR

Abstract: 1. A method of regulating the current of a stepping motor (SM) driven by a high-frequency switch-regulated motor current (IW1, IW2) via supply lines (V11 to V22) from constant current sources (KS1, KS2), characterised in that at the beginning of a commutating phase (time t0) of motor current (IW1, IW2) a minimum value current is set in the constant current sources (KS1, KS2) ; that a field build-up time (FZ) is measured ; and that the next value of the current dependent on load-angle is determined by the field build-up time (FZ).

Description: Lasçwinkelabhängige Stromregelung für Schrittmotore Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stromregelung eines Schrittmotors gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens. Elektrische Motore, und insbesondere Schrittmotore, sind physikalisch gesehen Umformer, die eine elektrische Ein gangsgröe in eine mechanische Ausganbsgrösse umwandeln. Der Schrittmotor besitzt entsprechend seiner Konstruktion eine Antriebswelle oder einen Rotor, der pro Eingangsspannungsimpuls um einen genau definierten Winkel schrittweise verdreht wird. Dieser Winkel wird i.a. als Schrittwinkel bezeichnet, und ist durch den konstruktiven Aufbau des Schrittmotors festgelegt. Bei einem Schrittmotor handelt es sich also um ein diskreter Stellglied, das quantisierte Drehbewegungen ausführen kann. Bei einer entsprechend hohen Folgefrequenz der Eingang .spannungsimpulse geht diese schrittweise Drehbewegung in einen kontinuierlichen Synchronlauf über. Eine Enführung und Übersicht über gebräuchliche Schrittmotoren ist in der Zeitschrift Elektronik", Jan.1967, Heft 1, Seite 1 bis 6 und Heft 2, Seite 53 bis 57, sowie in dem Aufsatz "Schrittmotoren-Aufbau, Funktionsweise und Anwendung der Fa. Gerhard Berger GmbH + Co. in Lahr veröffentlicht. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen zweiphasigen bzw. zweiphasig ansteuerbaren Schrittmotor mit permanentmagnetischer Erregung. Dieser Schrittmotor besitzt als Rotor einen gezahnten Permanentmagnetanker. Sein Stator besteht aus zwei Statorsystemen, entsprechend den beiden verwendeten Phasen. Jedes der beiden'Statorsy- steme besteht aus einem Stator-Kranz mit Zähnen bzw. Polen. Die beiden Statorsysteme sind derart angeordnet, dass bei einer Abwicklung der Stator-Kränze die Zähne des einen den Zwischenräumen des anderen gegenüberstehen. Jedem Statorsystem ist ein magnetisierendes Wicklungssystem zugeordnet, auf Grund dessen aie zugehörigen Zähne eine abwechselnde Folge von Nord- und Südpolen bilden. Das prinzipielle Ansteuerverfahren sowie verschiedene Bauformen und verschiedene Ansteuerverfahren um einen solchen Schrittmotor in eine Drehbewegung zu versetzen, sind in dem oben erwähnten Aufsatz der Fa. Berger auf Seite 3 beschrieben. Bei der Drehbewegung des Schrittmotors werden beispielsweise die Wicklungen der beiden Statorsysteme von Strömen wechselnder Polarität durchflossen, deren Polaritätswechsel um 90 phasenversetzt sind. Diese Art der Ansteuerung wird als bipolare Zweistrangansteuerung bezeichnet. Der Wechsel dèr Polarisierung der Pole eines Statorsystems bewirkt das Weiterdrehen des Rotors des Schrittmotors um einen Schritt. Der sequentselle Wechsel der Polarisierung, der abwechselnd in beiden Statorsystemen erfolgt, bewirkt die kontinuierliche Drehbewegung des Rotors. Durch die Phasenversetzung in positiver oder negativer Richtung ist die Richtung der Drehbewegung des Schrittmotors festgelegt. Ein Schrittmotor besitzt aber keine mechanisch wirkenden Raststellungen, sondern elektromagnetische. Eine solche Raststellung ist geometrisch beispielsweise dadurch gekennzeichnet, dass auf Grund einer entsprechenden Magnetisierung ein Nordpol des Rotors (d.h. der Zahn oder Pol, der ein permanentmagnetischer Nordpol ist) sich zwischen zwei Südpolen der Statorsysteme befindet, wobei jedes Statorsystem einen Südpol beisteuert. Für die andere Polarität gilt das Analoge. Durch die Überlagerung der magnetischen Kräfte der beiden Statorsysteme, die charakteristisch für die oben genannte bipolare Zweistrcngansteuerung ist, wird der Rotor des Schrittmotors in einer stabilen Lage gehalten. Bei der Drehbewegung des Schrittmotors ist durch die Anzahl (pro Sekunde) der durchlaufenen Raststellurgen der Wert der Frequenz (d.h. der Impulsfolgefrequenz) des Schrittaktes bestimmt. Der Wert der Frequenz des Schritttaktes ist viermal so gross wie der Wert der Frequenz des Wechselstromes durch die Wicklung eines der StaXorsyste- me. Bei einem kontinuierlichen Synchronlauf des Schrittmotores ist die Frequenz des Schrittaktes der Drehzahl proportional. Mit Hilfe des Lastwinkels, der eine nach DIN 42C21 definierte und messbare Grösse ist, werden die Bewegungsvorgän- ge des Rotors eines Schrittmotors in einem ständer festen Koordinatensystem beschrieben. Der Ständer, genauer der zweipolige Ständer, ist hierbei ein anderer Fachausdruck für die beiden Statorsysteme. Nach DIN 42021 wird zwischen einem statischen und einem dynamischen Lastwinkel unterschieden. Der statische Lastwinkel ist definiert als der Winkel; um den sich'die Welle (und damit der Rotor) des Schrittmotors gegenüber der elektromagnetischen Raststellung unter einem statisch einwirkenden Drehmoment verdreht. Der dynamische Lastwinkel ist definiert als der Winkel, um den der sich drehende Rotor des Schrittmotors in einem bestimmten Zeitpunkt von der durch den letzten Impuls-des Schrittaktes gegebenen elektromagnetischen Raststellung entfernt ist. Schrittmotore werden heutzutage bei vielen Geräten verwendet, um Teile in bestimmte Positionen zu bringen bzw. mit vorgegebener Geschwindigkeit zu bewegen. So werden bespielsweise bei Schreib- und Druckwerken Systeme, wie der Wagen, das Typenrad, die Schreibwalze und eine Reihe anderer Einrichtungen mit Hilfe von Schrittmotoren bewegt. Für die Ansteuerung des Schrittmotors ergeben sich nach seiner Verwendungsart verschiedene Probleme. Wenn der Rotor entgegen einem äusseren Drehmoment in seiner elektromagnetischen Rastposition gehalten werden soll, so muss der Schrittmotor mit einem Strom ausreichender Stärke versorgt werden. Wenn der Rotor und ein mitbewegtes System beschleunigt oder gleichförmig bewegt werden soll, so muss die Stärke des anliegenden Stroms und die Frequenz des Schrittmotors so gewählt werden; dass der Schrittmotor nicht aus dem Tritt fällt. Dies bedeutet, dass bei diesem Betriebszustand der dynamische Schrittlastwinkel einen bestimmten Grenzwert nicht überschreiten darf. Es ist allgemein üblich, die Wicklungssysteme des Ständers des Schrittmotors mit einem Strom konstanter Stromstärke zu versorgen. Hierbei wird der. Schrittmotor im Stillstand, während der Drehbewegung und u.U. beim Beschleunigen und beim Abbremsen mit Strömen unterschiedlicher Stromstärke versorgt, da das von der Welle des Schrittmotors abgegebene Drehmoment von den in den Wicklungssystemen fliessenden Strömen abhängig ist. Es ist bekannt, zur Ansteuerung von Schrittmotoren, einstellbare Konstantstromquellen zu verwenden (z.B. den Baustein TEA 3717 der Fa. Thomson). Diese Konstantstromquellen besitzen einen Referenzeingang, durch den der Strom durch die angeschlossene Wicklung eines Statorsystems einstellbar ist. Die Stromregelung erfolgt hierbei analog zu einem sogenannten Zweipunktstromregler, so dass dem Konstantstrom ein hochfrequenter Dreiecksstrom überlagert ist. Der hier genannte Baustein TEA 3717 enthält auch eine allgemein bekannte Transistorbrückenschaltung, an die direkt die Wicklung des Schrittmotors angeschlossen werden kann. Die Konstantstromquelle weist einen Eingang für die Schrittmotorphase auf, über den die Stromrichtung in der angeschlossenen Wicklung einstellbar ist. Weitere Einzelheiten und die unsere Beschaltung des oben genannten Bausteins sind den zugehörigen Datenblättern entnehmbar. Beim Betrieb eines Schrittmotors wird nun der Strom durch die Wicklungen der beiden Statorsysteme in Abhängigkeit vom Wirkungsgrad des Schrittmotors, von der Grösse der bewegten bzw. beschleunigten Massen, und in Abhängigkeit von der Reibung entsprechend der Geschwindigkeit der Drehbewegung gewählt. Der Konstantquellenstrom wird also in Abhängigkeit von der durch den Schrittmotor bewegten Last vor der Beschleunlgung.auf einen höheren Wert umgeschaltet, und nach der Verzögerung wieder reduziert. Ansteuerschaltungen, die nach diesem Verfahren arbeiten, haben einen geringen Wirkungsgrad und verursachen eine relativ hohe thermische Belastung der Konstantstromquellen, da der maximale Strom durch die Wicklungen des Schrittmotors nach den ungünstigsten Bedingungen ausgewählt wird. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Ansteuerung eines Schrittmotors mit permanentmagnetischer Erregung anzugeben, bei dem die Konstantstromquellen nur mit einem geringem Strom belastet werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhaft ist die automatische Anpassung des Schrittmotorstromes durch. das erfindungsgemässe Ansteuerverfahren während der Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen und an sich sprunghaft ändernde Lasten. Weiter werden durch das erfindungsgemässe Ansteuerverfahren sogenannten Lastwinkelpendelschwingungen vermieden. Im folgenden wird das erfindungsgemässe Verfahren anhand eines in der Zehnung dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert. Cabei zeigen: Fig. 1 das Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung mit einer Auswahlstufe, einer Zeitmessanordnung und einem Sollwertgeber, Fig. 2 ein detailliertes Schaltbild der Auswahlstufe, der Zeitmessanordnung und des Sollwertgebers, Fig. 3 Impulssequenzen auf einigen Steuerleitungen der Schaltungsanordnung und Fig. 4 Impulssequenzen auf Steuerleitungen der Zeitmessanordnung. Wie eingangs ausgeführt, bezieht sich das erfindungsgemässe Verfahren zur Ansteuerung eines Schrittmotors insbesondere auf einen zweiphasigen bzw. zweiphasig ansteuerbaren Schrittmotor mit permanentmagnetischer Erregung. Jedes der beiden Statorsysteme trägt eine Wicklungsanordnung, die im folgenden abgekürzt mit Wicklung bezeichnet wird. Die Zähne bzw. die Polzahl des Stators, und damit auch des Rotors, ist für das erfindungsgemässe Verfahren von untergeordneter Bedeutung. Die Zeitspanne, die benötigt.wird, um in der Wicklung die Richtung des Stromes umzukehren, wird im allgemeinen als Feldaufbauzeit bezeichnet. Die Feldaufbauzeit der Wicklung (während dieser Kommutie rungsphase; hängt ab von der Wicklungszeitkonstanten (d.h. von deren induktivität und Widerstand), von der Versorgungsspannung, die an die Wicklung gelegt wird, von dem Strom in der Wicklung, von der Frequenz (Impulsfolgefrequenz) des Schrittaktes (d.h. von der elektromotorischen Kraft) und von dem Lastwinkel des Schrittmotors. Wird die Versorgungsspannung und der Strom in der Wicklung während der Messung der Feldaufbauzeit konstant gehalten, so ist diese nur noch von der Frequenz des Schrittaktes und dem Lastwinkel des Schrittmotors abhängig. Wenn die Versorgungsspannung wesentlich grösser ist, als die elektromotorische Kraft, dann kann der Einfluss der Frequenz des Schrittaktes auf die Fedlaufbauzeit vernachlässigt werden. Die Feldaufbauzeit kann dann erfindungsgemäss zur Regelung des Stromes in der Wicklung, und damit zur Stromregelung des Schrittmotores in Abhängigkeit vom Lastwinkel verwendet werden. Der Schrittakt weist hierbei eine vorgegebene Frequenz auf. Das in Fig. 1 dargestellte Blockschaltbild enthält folgende Baustufen, eine Steuerung S mit einem Taktgeber TG und einem Drehrichtungsgeber DG, einen Schrittmotorphasengeber SPG, zwei Konstantstromquellen KS1 und KS2, einen Schrittmotor SM mit zwei Wicklungen Wl und W2, eine Auswahlstufe AS, eine Zeitmessanordnung ZM und einen Sollwertgeber SG. Die beiden Konstantstromquellen KS1 und KS2 sind jeweils durch den eingangs zitierten Baustein TEA 3717 der Firma Thomson realisiert. Die Konstantstromquellen KSl und KS2 weisen einen Referenzeingang RG, und einen nicht näher bezeichneten Eingang für die Schrittmotorphase SP1 bzw. SP2 auf. Über den ersten ist die Stärke des Stromes, über den zweiten ist die Richtung des Stromes in den angeschlossenen Wicklungen W1 bzw. W2 einstellbar. Die Konstantstromquellen geben positive Impulse zur Stromregelung ab, die auf Grund der äusseren Beschaltung (die den zugehörigen Datenblättern entnehmbar ist), durch eine konstante Auszeit AZ (siehe Fig. 3 und zugehörige Beschreibung) voneinander getrennt sind. Der Taktgeber TG gibt einen Schrittakt an den Schrittmotorphasengeber SPG und an die Zeitmessanordnung ZM. Der Drehrichtungsgeber DG gibt ein Drehrichtungssignal DS an den Schrittmotorphasengeber SPG, der zwei Schrittmotorphasen SP1 und SP2 an die beiden Konstantstromquellen KS1 und KS2 gibt. Die Wicklung W1 ist über zwei Versorgungsleitungen Vll und V12 mit der Konstantstromquelle KS1 verbunden. Die Wicklung W2 ist über zwei weitere Versorgungsleitungen V21 und V22 mit der Konstantstromquelle KS2 verbunden. Die Signale auf den vier Versorgungsleitungen Vll, V12, V21 und V22 werden auch an die Auswahlstufe AS gegeben, an der weiter ein vom Schrittmotorphasengeber SPG ausgegebenes Auswahlsignal A anliegt. Von der Auswahlstufe AS wird ein Auswertesignal AW an die Zeitmessanordnung ZM gegeben, die ein Messwertsignal MW an den Sollwertgeber SG gibt. Vom Ausgang des Sollwertgebers SG wird eine Referenzspannung UR an die Referenzeingänge RG der beiden Kcnstantstromquellen KS1 und KS2 gegeben. Zum besseren Verständnis sind gleichwirkende Eingänge und Ausgänge mit den gleichen Bezugszeichen versehen. In Fig. 2 sind detailliert der Schrittmotorphasengeber SPG, die Auswahlstufe AS, die Zeitmessanordnung ZM und der Sollwertgeber SG dargestellt. Der Schrittmotorphasengeber SPG enthält einen Inverter I1, einen Zähler Z1 und drei invertierende UND-Verknüpfungsglieder UDl, UD2, UD3. Die Auswahlstufe AS enthält acht nicht näher bezeichnete Widerstände, vier invertierende UND-Verknüpfungsglieder UD5, UD6, UD7 und ein UND-Verknüpfungsglied UD8. Die Zeitmessanordnung ZM enthält zwei Inverter I2 und 13, einen Kondensator C und einen Widerstand R, zwei sogenannte D-Flip-Flops (Verzögerungs-Flip-Flops) DF1 und DF2, zwei Zähler Z2 und Z3, einen Start-Stop-Oszillator SO, ein UND-Verknüpfungsglied UD9, zwei ODER-Verknüpfungsglieder 0D1 und 0D2, ein invertierendes ODER-Verknüpfungsglied 0D3, ein Register RT und vier invertierende UND-Verknüpfungsglieder UD10, Null, UD12 und UD13. Im folgenden werden der Aufbau und die Wirkungsweise einiger der in Fig. 2 dargestellten Bausteine näher erläutert. Die Zähler Zl (des Schrittmotorphasengebers SPG), Z2 und Z3 (der Zeitmessanordnung ZM), die z.B. durch den Baustein SN74 LSl9l (Auf- Abzähler) der Fa. Texas Instruments realisiert sind, besitzen einen mit dem entsprechenden Symbol gekennzeichneten Takteingang (Triggerung bei positiver Flanke, Anschluss 14), Dateneingänge D1 bis D4 (Anschluss 15,1, 10,9Y, Ausgänge Al bis A4 (Anschluss 3, 2, 6, 7), einen Zählrichtungseingang ZR (Anschluss 5), einen Zählbefehlseingang ZE (Anschluss 4) und einen Ladebefehlseingang LE (Anschluss 11). Die am Ausgang Al abgegebene Wechselspannung besitzt eine Frequenz, deren Wert halb so gross ist wie der Wert der Frequenz der im Takteingang eingespeisten Rechteckspannung. An den Ausgängen A2 bis A4 wird eine Rechteckspannung mit einer Frequenz abgegeben, deren Wert gegenüber der am vorhergehenden Ausgang abgegebenen halbiert ist. Bei Anlegen eines der logischen Eins bzw. Null entsprechenden Potentials an den Zählrichtungseingang ZR, zählt der Zähler ab- bzw. aufwärts. Bei Anlegen eines der logischen Null entsprechenden Potentials an den Zählbefehiseingang ZE wird gezählt. Bei Anlegen eines der logischen Null entsprechenden Potentials an den Ladebefehlseingang LE, werden die an den Dateneingängen anliegenden Daten zu den Ausgängen Al bis A4 durchgeschaltet. Die D-Flip-Flops DF1 und DF2, die z.B. durch den Baustein 74LS74 der Fa. Texas Instruments (dieser Baustein enthält zwei D-Flip-Flops) realisiert sind, besitzen einen mit dem entsprechenden Symbol gekennzeichneten Takteingang (Triggerung bei positiver Flanke, Anschluss 3 bzw. 11), einen Rücksetzeingang RE (Anschluss 1 bzw. 13), einen Dateneingang DE (Anschluss 2 bzw. 12), einen Ausgang Q (Anschluss 5 bzw. 9) und einen invertierten Ausgang Q (Anschluss 6 bzw. 8). Der Start-Stop-Oszillator SO, der durch den Baustein TDB 0555 der Fa. Texas Instruments realisiert sein kann, besitzt einen Schalteingang SE (Anschluss 4) und einen Taktausgang TA (Anschluss 3). Solange am Schalteingang SE des Start-Stop-Oszillators SO ein der logischen Eins entsprechendes Potential anliegt, wird vom Taktausgang TA eine Impulsfolge mit konstanter Frequenz abgegeben. Die externe Beschaltung dieses Bausteines ist den zugehörigen Datenblättern zu entnehmen. Das Register RT, z.B. der Baustein 74LS75 der Fa. Texas Instruments, realisiert. Das Register R besitzt nicht nä näher bezeichnete Eingänge (Anschluss 2, 3, 6 und 7), sonicht näher bezeichnete Ausgänge (Anschluss 9, 10, 15 und 16), sowie einen Schalteingang SE (Anschluss 4 und 13). Bei Anlegen eines der logischen Eins entsprechenden Potentials an den Schalteingang SE des Registers RT, werden die an den Eingängen anliegenden Daten zu den Ausgängen durchgeschaltet. Solange anschliessend am Schalteingang SE des Registers RT ein der logischen Null entsprechendes Potential anliegt, können die Daten dort abgegriffen werden. Der Sollwertgeber SG, der ein handelsüblicher Digital Analogwandler ist, besitzt Digitaleingänge D und einen Analogausgang AA. Die an den Digitaleingängen O anliegenden Daten werden in eine am Analogausgang AA abgreifbare Referenzspannung UR umgewandelt. Cie in Fig. 2 dargestellten Bausteine sind folgendermassen zusammengeschaltet. Der vom Taktgeber TG an. den Schrittmotorphasengeber SPG gegebene Schrittakt ST liegt über dem Inverter I1 am Takteingang des Zählers Z1 an. Der Zählbefelseingang ZE des Zählers Z1 liegt an einem der logischen Null entsprechenden Potential. Das vom Drehrichtungsgeber DG abgegebene Drehrichtungasignal DR liegt am Zählrichtungseingang ZR des Zählers Z1 an. Der Ausgang Al des Zählers Z1 ist mit einem Eingang des invertierenden UND Verknüpfungsgliedes UD1 und mit einem invertierenden Eingang des invertierenden UND-Verknüpfungsgliedes UD2 verbunden. Der Ausgang A2 des Zählers Z1 ist mit dem anderen invertierenden Eingang des invertierenden UND-Verknüpfungsgliedes UD1 und mit dem anderen Eingang des invertierenden UND Verknüpfungsgliedes UD2 verbunden. Die Ausgänge der invertierenden UND-Verknüpfungsglieder UD1 und UD2 sind mit den beiden Eingängen des invertierenden UND Verknüpfungs gliedes UD verbunden, von dessen Ausgang die Schrittmotorphase SP1 abgegeben wird. Vom Ausgang A2 des Zählers Z1 wir die Schrittmotorphase SP2 abgegeben. Von den Ausgängen Al und A2 des Zählers Z1 wird das Auswahlsignal A abgegeben. Über nicht näher bezeichnete Widerstände der Auswahlstufe AS, von denen jeweils zwei einen Spannungsteiler zur Pe gelanpassung bilden, liegen die Versorgungsleitungen Vll, V12, V21 und V22 in dieser Reihenfolge an den Eingängen der beiden invertierenden UND-Verknüpfungsglieder UD4 und UD5 an. Der Ausgang des invertierenden UND Verknüpfungs gliedes UD4 ist mit einem Eingang des invertierenden UND Verknüpfungsgliedes UD6 verbunden. Der Ausgang des inver tierenCen UND-Verknüpfungsgliedes UD5 ist mit einem Eingang des invertierenden UND-Verknüpfungsgliedes UD7 verbunden. Am anderen Eingang des invertierenden UND-Ver knüpfungsgliedes UD6 liegt der Ausgang Al des Zählers Z1, am anderen invertierenden Eingang des invertierenden UND Verknüfungsgliedes UD7 liegt der Ausgang A2 des Zählers Z1 an. Die Ausgänge der invertierenden UND-Verknüpfungsglieder UD6 und U07 sind mit den beiden Eingängen des UND-Verknüpfungsgliedes UD8 verbunden, an dessen Ausgang das Auswertesignal AW abgegeben wird. Aus dem vom Taktgeber TG an die Zeitmessanordnung ZM abgegebenen Schrittakt ST wird über einen Inverter I2, eine aus dem Kondensator C und dem Widerstand R gebildete Dif¯ ferenzierstufe und über den Inverter I3 ein Start-Stop Signal SS gebildet und an den Ladebefehlseingang LE des Zählers Z3, an den Schalteingang SE des Start-Stop-Oszillators SO und an die Rücksetzeingänge RE der beiden D-Flip-Flops DF1 und DF2 gegeben. Der Taktausgang TA des Start-Stop-Oszillators SO ist mit den beiden Takteingängen der Zähler Z2 und Z3 verbunden. Der Dateneingang DE des D-Flip-Flops DF1 liegt auf einem der logischen Eins entsprechenden Potential. Der Ausgang Q des D-Flip-Flops DF1 ist mit jeweils einem Eingang der invertierenden UND Verknüpfungsglieder UD10 bis UD15 verbunden. Der invertierte Ausgang n des D-Flip-Flops DF1 ist mit dem Schalteingang SE des Registers R verbunden. Die Dateneingänge Dl bis 04 des Zählers Z3 und der Dateneingang D4 des Zählers Z2 sind mit einem der logischen Eins entsprechenden Potential verbunden. Die Ausgänge Al bis A4 des Zählers Z3 sind in dieser Reihenfolge jeweils mit den beiden Eingängen der beiden ODER-Verknüpfungsglieder OD1 und 002 verbunden, deren Ausgänge an den beiden Eingängen des invertierenden ODER-Verknüpfungsgliedes OD3 anliegen. Der Ausgang des invertierenden 0DER-Verknüpfungsgliedes 003 ist mit einem Eingang des UND-Verknüpfungsgliedes UD9 und mit dem Takteingang des D-Flip-Flops DF2 verbunden. Der Ausgang A4 des Zählers Z2 ist mit dem anderen Eingang des UND-Verknüpfungsgliedes UD9 verbunden, dessen Ausgang mit dem Zählbefehlseingang ZE des Zählers Z3 verbunden ist. Der invertierte Ausgang Q des D-Flip-Flops DF2 ist mit dem Dateneingang DE des D-Flip-Flops DF2 und mit dem Zählrichtungseingang ZR des Zählers Z3 verbunden. Der Ausgang Q des D-Flip-Flops DF2 ist mit dem Ladebefehlseingang LE des Zählers Z2 verbunden. Die Ausgänge Al bis Ah des Zählers Z3 liegen auch an den Eingängen des Registers RT an, dessen Ausgänge mit den anderen Eingängen der invertierenden UND-Verknüpfungsglieder UD10 bis UD15 verbunden sind. Die Ausgänge der invertierenden UND-Verknüpfungsglieder UD10 bis UD15, an denen ein Messwertsignal MW abgreifbar ist, sind mit den Digitaleingängen D des Sollwertgebers SG verbunden. Vom Analogausgang AA des Sollwertgebers SG wird die Referenzspannung UR an die beiden Konstantstromquellen KS1 und KS2 gegeben. In Fig. 3 sind Impulssequenzen auf einigen Steuerleitungen bzw. Signalzustände an einigen Baustufen der Schaltungsanordnung dargestellt. Dies sind im einzelnen in Zeile 1 der vom Taktgeber TG abgegebene Schrittakt ST, in den Zeilen 2 und 3 die vom Schrittmotorphasengeber SPG abgegebenen Schrittmotorphasen SP1 und SP2, in den Zeilen 4 bis 7 die von den Konstantstromquellen KS1 und KS2 abgegebenen Signale auf den Versorgungsleitungen Vll, V12, V21 und V22, in Zeile 8 das von der Auswahlstufe AS abgegebene Auswertesignal AW, in Zeile 9 das in der Zeitmessanordnung ZM gebildete Start-Stop-Signal SS, in Zeile 10 das vom Ausgang Q des D-Flip-Flops DF1 abgegebene Signal, in Zeile 11 das vom Taktausgang TA des Start-Stop-Oszillators SO abgegebene Signal, und in den Zeilen 12 und 13 die in den Wicklungen W1 und W2 des Schrittmotors SM auftretenden Motorströme IW1 und IW2. Der Schrittakt ST (Zeile 1) ist eine periodische Rechteckspannung. D e Schrittmotorphasen SP1 und SP2 (Zeile 2 und 3) sind periodische Rechteckspannungen, die gegeneinander um 90 phasenversetzt sind. Dabei ist der Wert der Frequenz des Schrittaktes ST viermal so gross wie der Wert der Frequenz der Schrittmotorphase SP1 bzw. SP2. Auf den Versorgungsleitungen Voll, V12, V21 und V22 (Zeilen 4 bis 7) ist hier beispielsweise jeweils eine Folge von vier positiven Impulsen dargestellt. Der führende Impuls besitzt eine Impulsbreite, die der Feldaufbauzeit FZ entspricht. Die drei nachfolgenden Impulse besitzen eine Impulsbreite, die jeweils einer Regelzeit RZ entsprechen. Die Impulse sind jeweils durch die Auszeit AZ voneinander getrennt. Die Impulsfolgen auf den Versorgungsleitungen Vll und V12, sowie auf den Versorgungsleitungen V21 und V22 sind jeweils gegeneinander um 180µ phasenversetzt. Die Impuls folgen auf den Versorgungsleitungen Vll und V21 bzw. V12 und V22 sind jeweils gegeneinander um 90e phasenversetzt. Die Entstehung der Im puls folgen wird später in der Funktionsbeschreibung erläutert. Das Auswertesignal AW (Zeile 8) besteht aus einer Impuls folge von negativen Impulsen. Das von der Auswahlstufe AS abgegebene Auswertesignal AW entsteht dadurch, dass jeweils während der Dauer eines Rechteckimpulses des Schrittaktes, beginnend mit dessen abfallender Flanke, nacheinander die Signale auf den Versorgungsleitungen X Zeile 5), V22 (Zeile 7), Vll (Zeile 4) und V21 (Zeile 6), invertiert durchgeschaltet werden. (In Fig. 3 ist dies jeweils der Impuls mit einer der Feldaufbauzeit FZ en- sprechenden Impulsbreite). Das Start-Stop-Signal SS (Zeile 9) besteht aus einer Fol- ge von kurzen negativen Impulsen, deren Impulsbreite T (RC) durch das aus dem Widerstand R und dem Kondensator C bestehenden Differenzierglied in der Zeitmessanordnunc ZM bestimmt ist. Das am Ausgang Q des D-Flip-Flops DF1 (Zeile 10) abgegebene Signal besteht aus einer Folge von positiven Impulsen. Das am Taktausgang TA des Start-Stop-Oszillators SO abgegebene Signal besteht aus einer hochfrequenten Impulsfolge, die während der Zeiten, zu denen das Start-Stop-Signal S5 (Zeile 9) einen negativen Impuls besitzt, unterbrochen ist. Die hochfrequente Impulsfolge ist in der Figur 3 symbolisch durch eine Schraffur gekennzeichnet. Die Motorströme IW1 und IW2 (Zeile 12 und 13) bestehen aus trapezförmigen Impulsen mit wechselnder Polarität. Diesen Impulsen ist ein hochfrequenter Dreiecksatrorn überlagert. Die hochfrequente Dreiecksspannung, und auch der Polaritätswechsel der Motorströme IW1 und IW2 werden in an sich bekannter Weise durch die auf den Versorgungsleitungen Vll bis V22 liegenden Impulse verursacht. Die Motorströme IW1 und IW2 sind gegeneinander um 90* phasenversetzt. Die Frequenzform der Motorströme IW1 und IW2, sowie deren Überlagerung sind zur Verdeutlichung übertrieben dargestellt. In Fig. 4 sind Impulssequenzen auf einigen der. Steuerleitungen bzw. Signalzustände an einigen Bausteinen der Zeitmessanordnung ZM dargestellt. Dies sind im einzelnen in Zeile 1 das Start-Stop-Signal SS, in Zeile 2 der Signalzustand am Zählrichtungseingang ZR des Zählers Z3, in Zeile 3 der Signalzustand am Zählbefehlseingang ZE des Zärlers Z3, in Zeile 4 der Signalzustand am Ladebefehls- eingang LE des Zählers Z2, in Zeile 5 symbolisch der Signalzustand an den Ausgängen Al bis A4 des Zählers Z3, in Zeile 6 symbolisch der Signalzustand am Ausgang A4 des Zählers Z2, und in Zeile 7 das Auswertesignal AW. Symbolische Darstellung bedeutet hier, dass der, dem Signalzustand entsprechende Zahlenwert dargestellt ist. De Abbildungsmassstab in Fig. 4 wurde gegenüber dem in Fig. 3 vergrössert. Der Signalverlauf wird im folgenden bei der Funktionsbeschreibung erläutert, wobei auch auf Fis. 2 und 3 verwiesen wird. Der Schrittmotorphasengeber SPG (Fig. 2) bildet auf Grund des vom Taktgeber TG abgegebenen Schrittaktes ST und des vom Drehrichtungsgeber DG abgegebenen Drehrichtungssignals DR die beiden Schrittmotorphasen SP1 und SP2 und das Auswahlsignal A. Das Drehrichtungssignal DR bestimmt hierbei, ob die Schrittmotorphase SP2 gegenüber der Schrittmotorphase SPl um 90" nach links oder nach rechts phasenversetzt ist. Die Wirkungsweise der einzelnen Bausteine des Schrittmotorphasengebers SPG lässt sich aus Fic. 2 und der dazugehörigen Beschreibung entnehmen und bedarf keiner weiteren Erklärung. Im folgenden wird ein Messzyklus beschrieben, der zum Zeitpunkt tO (s. Fig. 3 und 4) beginnt. Es wird darauf hingewiesen, dass die in den Fig. 3 und 4 dargestellten Impulssequenzen idealisiert sind. Die Zeitmessanordnung ZM bildet aus der abfallenden Flanke des Schrittaktes ST zum Zeitpunkt tO über die Inverter I2 und I3 und das zwischengeschaltete Differenzlerglied C, RH das Start-Stop-Signal SS, welches beginnend mit dem Zeitpunkt tO bis zu einem Zeitpunkt tl einen negativen Impuls aufweist, dessen Dauer (T (RC) in Fig. 3) durch das Differenzierglied bestimmt ist. Mit der ansteigenden Flanke des Start-Stcp-Signais SS zum Zeitpunkt tl gibt der Taktausgang TA des Start-Stop-Oszillators SO eine Impulsfolge ab, und der Ausgang Q des D-Flip-Flops DF1 gibt ein der logischen Null entsprechendes Pctential ab, aufGrund dessen die invertierenden UND-Verknüpfungsglie- der UD10 bis UD13 jeweils ein der logischen Eins entsprechendes Potential als Messwertsignal MW an den Sollwertgeber SG abgeben. Dieser gibt daraufhin an seinem Analog- ausgang AA eine Referenzspannung UR ab, durch die in den Konstantstromquellen KS1 und KS2 der kleinste Strom eingestellt wird. Weiter wird mit dem Start-Stop-Signal SS zum Zeitpunkt tO bzw. tl an den Zählrichtungseingang ZR,des Zählers Z3 (Fig. 4, Zeile 2) ein der logischen Eins entsprechendes Potential (vom Ausgang Q des D-Flip-Flops DF2) und an den Ladebefehlseingang LE des Zählers Z2 (Fig. 4, Zeile 4) ein der logischen Null entsprechendes Potential (vom Aus gang Q des D-Flip-Flops DF2) gelegt. Da zum Zeitpunkt tl an den Ladebefehiseingängen LE der Zähler Z2 und Z3 ein der logischen Null entsprechendes Potential liegt, und die Dateneingänge D1 bis D4 des Zählers Z3 bzw. D4 des Zählers Z2 auf einem der logischen Eins entsprechenden Potential liegen, ist zum Zeitpunkt tl an den Ausgängen Al bis Aa des Zählers Z2 ein der logischen Eins entspre chences Potential abgreigbar. Aus diesem Grund gibt das invertierende ODER-Verknüpfungsglied OD3 ein der logischen Null entsprechendes Potential ab, so dass am Zählbe fehlseingang ZE des Zählers Z3 (Fig. 4, Zeile 3) über das UND-Verknüpfungsglied UD9 ein der logischen Null entspre chenaes Potential anliegt. Zum Zeitpunkt tl ist der Zähler Z3 also zum Abwärtszählen ab der Zahl 15 (dies ist die an den Ausgängen Al bis A4 des Zlers ers Z3 abgreifbare binäre Zahl) eingestellt. Zum Zeitpunkt tO wird von der Auswahlstufe AS der auf der Versorgungsleitung Vll (Fig. 3, Zeile 4) liegende Impuls mit Åaer, der Feldaufbauzeit FZ entsprechenden Impuisbreite als Auswertesignal AW auf Grund des entsprechenden, vom Schrittmotorphasengeber SPG abgegebenen Auswahlsignal A zur Zeitmessanordnung ZM durchgeschaltet. Die Funktionsweise der Auswahlstufe AS ist der Schaltungsbeschreibung zu Fr. 2 zu entnehmen. Ab dem Zeitpunkt tO liegt also am Takteingang des O-Flip- Flops DF1 das Auswertesignal AW (Fig. 3, Zeile 8 und Fig. 4, Zeile 7) an, das ein der logischen Null entsprechendes Potential aufweist. Zu einem Zeitpunkt t2 ist an den Ausgängen Al bis A4 des abwärts zählenden Zählers Z3 die binäre Zahl Null ab greifbar. Das invertierende ODER-Verknüpfungsglied OD3 gibt dann ein der logischen Eins entsprechendes Potential ab, welches am Takteingang des D-Flip-Flops DF2 und am einen Eingang des UND-Verknüpfungsgliedes UD9 anliegt. Als Folge hiervon wird an den Zählrichtungseingang ZR des Zählers Z3 (Fig. 4, Zeile 2) ein der logischen Null ent sprechendes Potential gelegt. An den Ladebefehlseingang LE des Zählers Z2 (Fig. 4, Zeile 4) wird gleichzeitig ein der logischen Eins entsprechendes Potential gelegt. Da zum Zeitpunkt t2 vom Ausgang A4 des Zählers Z2 imme noch ein der logischen Eins entsprechendes Potential abgegeben wird (dies entspricht der in Fig. 4, Zeile 6 dargestellten Zahl 15), wird ab diesem Zeitpunkt t2 an den Zählbefehiseingang ZE des zählers Z3 (Fig. 4, Zeile 3) über das UND-Verknüpfungsglied UD9 ein der logischen Eins entsprechendes Potential gelegt. Ab dem Zeitpunkt t2 ist der Zähler Z3 auf Aufwärtszlen geschaltet, de Zählvorgang aber angehalten. Der Zähler Z2 ist dauernd auf Abwärts zählen geschaltet (Zählrioh- tungseingang ZF liegt auf einem der logischen Eins entsprechenden Potential) der Zählvorgang wird jedoch erst gestartet, wenn am Ladebefehlseingang LE des Zählers Z2 ein der logischen Eins entsprechenoes Potential anliegt, obwohl der Zähiaefehiseingang ZE des Zählers 22 immer auf einem der logischen Null entsprechenden Potential liegt. Abwärtszählen des Zählers Z2 bedeutet, dass nach acht Taktimpulsen (die vom Taktausgang TA des Start Stop-Os- zillators SO abgegeben werden) zu einem Zeitpunkt t3 am Ausgang A4 des Zählers Z2 ein der logischen Null entsprechendes Potential abgreifbar ist (dies entspricht der in Fig. 4, Zeile 6 dargestellten Zahl 73. Dies bedeutet, dass zum Zeitpunkt t3 an den Zählbefehlseingang ZE des Zählers Z3 (Fig. 4, zeile 3) ein der logischen Null entsprechendes Potential gelegt wird, und dadurch der Zählvorgang des Zählers Z3 wieder gestartet wird. Der Zählvorgang des Zählers Z3 ist nur sinnvoll bis zu einem maximalen Zeitpunkt t5, der durch die Anzahl der Ausgänge Al bis A4 des Zählers Z3 gegeben ist. Der Messzyklus wird erst dann wieder gestartet, wenn das Start Stop-Signal SS (Fig. 4, Zeile 1) einen negativen Impuls eist. Ir Fig. , Zeile 7 wurde angenommen, dass das Auswertesignal Aw zu einem Zeitpunkt t4 ein der logischen Eins entsrechendes Potential annimmt. Dies bedeutet, dass die Feldaufbauzeit FZ des entsprechenden Impulses auf der Versorgungsleitung Vll (Fig. 3, Zeile 4) der Zeitdifferenz zwiscren dem Zeitpunkt t4 und dem Zeitpunkt tO entspricht. Durch diesen Wecnsel des Auswertesignals AW wird vr- invertierten Ausgang Q des D-Flip-Flops DF1 (s. den cazu inversen Ausgang Q des D-Flip-Flops DF1 in Fig. 3, Zeile 13), ein der logischen Null entsprechendes Potential an der Schalteingang SE des Registers RT gegeben. Dies bedeutet, dass die vor dem Zeitpunkt t4 am Register RT an;iegenden Daten von den Ausgängen Al bis A4 des Zählers Z3 ab dem zeitpunkt t4 im Register RT gespeichert sind, unc an dessen Ausgängen abnehmbar sind. Wie in Fig. 4 da-gestellt, ist zum Zeitpunkt tt an den Ausgängen Al bis A4 oes Zählers Z3, und damit auch an den Ausgängen des Registers RT die binäre Zahl 5 abgreifbar. An den einer Eingängen der invertierenden UND-Verknüpfungsgliede- UD10 bis UD13 liegt ab dem Zeitpunkt t4 ein der logischen Eins entsprechendes Potential (vom Ausgang Q des D-Fli--Flops DF1, s. Fig. 3, Zeile 10). Dadurch werden die an den Ausgängen des Registers RT anliegenden Daten invertiert über die invertierenden UND-Verknüpfungsglieder UD10 bis UD13 als Messwert MW an den Digital einfang D ces Sollwertgebers SG gegeben. Vom Analogasgang AA des Sollwertgebers SG wird darauf hir., d.h. naoh dem Zeitpunkt t4, ein analoger Spannungswert, a.h. cie Refernzspannung UR an die Referenzeingänge RG der Konstantstromquellen KS1 und KS2 gegeben. Hier cu,cn wird gewirkt, dass in den Kcnstantstromquellen KS1 und KS2 entweder der gleiche, zum Zeitpunkt tC eingestellte Strom eingestellt bleibt, oder dass ein höherer Strom eingestellt wird. Ein höherer Strom wird eingestellt, sowohl mit steigendem negativen Lastwinkel, d.h. die Feldaufbauzeit FZ verkürzt sich, als auch mit steigendem positiven Lastwinkel, d.h. die Feldaufbauzeit FZ verlängert sich. Eine Erhöhung des Motorstromes IW1 bzw. IW2 (Fig. 3, Zeilen 12 und 13) wird, ebenso wie die Konstanthaltung des Stromes, durch die weiteren Impulse auf den Versorgungsleitungen Vll bis V22 (Fig. 3, Zeilen 4 bis 7) bewirkt, die eine der Regelzeit RZ entsprechende Impulsbreite besitzen. Wie vcrher schon erwähnt, wird der nächste Messzyklus se- startet, wenn das Start-Stop-Signal SS (Fig. 3, Zeile 9) einen negativen Impuls abgibt, bzw. der Schrittakt ST (Fig. 3, Zeile 1) eine abfallende Flanke aufweist. Von der Auswahlstufe AS werden nacheinander als Auswertesig- nal AW die Impulse auf den Versorgungsleitungen Vll bis V22 (Fig. 3, Zeilen 4 bis 7) zur Zeiteanordncng ZM durchgeschaltet, die eine der Feldaufbauzeit FE entsprechende Impulsbreite aufweisen. Das erfindungsgemässe Verfahren ist nicht auf die Verwendung in der hier beschriebenen Schaltungsanordnung beschränkt. Bei entsprechenderAnpassung (des Schrittmotorphasengebers SPG, sowie der Auswahlstufe AS) ist das Verfahren auch für mehrphasige Schrittmotoren anwendbar. 5 Patentansprüche 4 Figuren Bezuqszeichenliste S Steuerung TG Taktgeber DG Drehrichtungsgeber ST Schrittakt DS Drehrichtungsaignal SPG Schrittmotorphasengeber SP1,SP2 Schrittmotorphasen KS1,KS2 Konstantstromquellen RG Referenzeingang Vll,V12,V21,V22 Versorgungsleitungen SM Schrittmotor Wl,W2 Wicklungen (w cklungssysteme) AS Auswahlstu fe A Auswahlsignal AW Auswertesignal ZM Zeitmessanordnung SS Start-Stop-Signal MW Messwertsignal SG Sollwertgeber D Digitaleingang AA Analogausgang UR Referenzspannung Z1,Z2,Z3 Zähler ZR Zählrichtungseingang ZE Zählbefehlseingang LE Ladebefehlseingang Al - A4 Ausgänge D1 - D4, DE Dateneingänge RT Register SE Schalteingang 11,12,13 Inverter DF1,DF2 D-Flip-Flops RE Rücksetzeingang Ausgang, invertierter Ausgang UD1 - UD7,UD10 - UD15 invertierende UND-Verknüp fungsglieder UD8,UD9 UND-Verknüpfungsglieder OD1,OD2 ODER-Verknüpfungsglieder OD3 invertierendes ODER-Verknüp fungsglied FZ Feldau fbauzeit RZ Regelzeit AZ Aus zeit tO - t5 Zeitpunkte IW1,IW2 Motorströme R Widerstand C Kondensator

Claims: Patentansprüche 1. Verfahren zur Stromregelung eines Schrittmotors (SM), der mit einem hochfrequent schaltgeregelten Motorstrom (IWl,1W2) über Versorgungsleitungen (Vll bis V22) von Konstantstromquellen (KSl,KS2) ansteuerbar ist, da durch gekennzeichnet, dass zu Beginn einer Kommutierungsphase (Zeitpunkt tO) eines Motorstromes (IW1,IW2) in den Konstantstromquellen (KS1,KS2) ein Strom mit dem kleinsten Wert eingestellt wird, dass eine Feldaufbauzeit (FZ) gemessen wird, und dass durch die Feld aufbau zeit (FZ) der nächste lastwinkelabhängige Wert des Stromes bestimmt ist. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl mit steigende als auch mit fallender Feldauf- bauzeit (FZ) der nächste Wert des Stromes erhöht wird. 3. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Auswahlstufe (AS), die nacheinander Impulse auf den Versorgungsleitungen (Vll bis V22) als Auswertesignal (AW) abgibt, durch eine Zeitmessanordnung (ZM) die als Messwertsignal (MW) eine der Feldaufbauzeit (FZ) entsprechende Zahl abgibt, und durch einen Sollwertgeber (SG), der aus dem Messwertsignal (MW) eine analoge Referenzspannung (UR) bildet und damit den Strom einstellt. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitmessanordnung (ZM) eine Messwertsignal (MW) abgibt, durch das sowohl mit steigender Feldaufbauzeit (FZ) als auch mit fallender Feldaufbauzeit (FZ) der Strom erhöht wird. 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennz eichne t dass ein Zähler (Z3) vorgesehen ist, der mit Beginn der Kommutierungsphase (Zeitpunkt tO) abwärts bis Null und nach einer Verweilzeit aufwärts zählt, wobei die der Feldaufbauzeit (FZ) entsprechende Zahl Null dem Wert Null des Lastwinkels entspricht.

Inventors: TREFFER, GERHARD, DIPL.-ING.
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT BERLIN UND MUNCHEN
Application year: 1984
Main classification: H02P8
IPC codes: H02P8