DE2519509A1 - Verfahren und vorrichtung zur steuerung eines elektrischen kleinstmotors - Google Patents

Description

DR. RUDOLF BAUER · D1PL.-ING. HELMUT HUBBUCH

PATENTANWÄLTE

753 PFORZHEIM. ^0.4.1975 χ/j.; WESTLICHE 31 (AM LEOPOLD PLATZ) TEL. (07231)24290

Fs, i-Ortescap, La Ch au:c- de -Fonds (Schweiz)

''Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines elektrischen Kleinstmotors "

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines elektrischen Kleinstmotors, dem Antriebsimpulse aus einer Gleichspannungsquelle zugeführt v/erden und der einen eine parallel zur Motorwicklung geschaltete Schaltvorrichtung auf v/eisenden Bremskreis enthält. Die Schaltvorrichtung wird "dabei so gesteuert, dass dem in der llotorwicklung induzierten Strom in einem unmittelbar auf den Antriebsimpuls folgenden Zeitintervall ein sehr kleiner Widerstand entgegensteht und diesem Strom während der Dauer des Antriebsimpulses ein hoher Widerstand entgegensteht.

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Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Ausübung eines solchen Verfahrens.

In verschiedenen Anwendungsgebieten der elektrischen Kleinstmotoren ist es wesentlich, dass der Energieverbrauch des Motors so klein wie möglich gehalten wird. Dies ist insbesondere der Fall auf dem Gebiet der Uhrentechnik, der Zähler und anderer batteriegespeister Geräte. Bei den bestehenden Steuervorrichtungen weist der elektronische Steuerkreis für den Antrieb und die Bremsung des Motors selbst einen nicht vernachlässigbaren Energieverbrauch während der ganzen Betriebsdauer auf, das heisst also auch während der Dauer der Antriebsimpulse. Dies ist darauf zurückzuführen, dass bei diesen Vorrichtungen die Transistoren des Steuerkreises stark vorgespannd sein müssen, um die Spannungsabfälle zwischen der Batterie und dem Motor während des Antriebsimpulses klein zu halten, und dass ferner zur Bremsung des Rotors dem durch die gegen-elektromotorische Kraft des Motors erzeugten Strom nach dem Antriebsimpuls nur ein sehr kleiner Widerstand entgegengesetzt werden soll. Es ist im allgemeinen notwendig oder wünschbar bei solchen Kleinstmotoren die Wicklung während einiger Hundertstalsekundeii nach jedem Antriebsimpuls kurzzuschliessen, um eventuelle Schwingungen um die Gleichgewichtslage zu dämpfen, und um im Pail von Schrittmotoren hoher Schrittfrequenz zu vermeiden, dass der Rotor trotz des vorhandenen« die Gleichgewichtsstellung bestimmenden magnetischen Moments um zwei Schritte statt eines einzigen weiterdreht.

Der Erfindung liegt die Aufga.be zugrunde, eine bedeutende Einsparung an elektrischer Energie bei der Steuerung eines Kleinstmotors vom eingangs genannten Typ zu erzielen.

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Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung des Bremskreises durch die Entladung eines Kondensators gesteuert wird, welcher während der Dauer des Antriebsimpulses aus der Gleichspannungsquelle aufgeladen wird.

Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der an die G-leichspannungsquelle angeschlossene Ladekreis des genannten Kondensators zumindest die Serienschaltung des Kondensators und einer Schaltvorrichtung enthält, wobei diese Schaltvorrichtung so gesteuert wird, dass sie während der Dauer des Antriebsimpulses geschlossen ist, und dass der Entladekreis des Kondensators zumindest eine weitere Schaltvorrichtung enthält und so ausgebildet ist, dass die Schaltvorrichtung des Bremskreises bei der Entladung des Kondensators geschlossen wird, va.hrend die genannte Schaltvorrichtung des Entladekreises so gesteuert wird, dass sie in dem unmittelbar auf den Antriebsinpuls folgenden Zeitintervall geschlossen ist.

Die beigefügte Zeichnung stellt zwei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Steuervorrichtung dar.

7igur 1 zeigt die Schaltung einer Steuervorrichtung, die für Speisespannungen von mehr als 1,7 V geeignet ist.

Figur 2 zeigt die Schaltung einer ähnlichen Steuervorrichtung, die für Speisespannungen zwischen 0,9 und 1,7 V geeignet ist.

Im Schaltbild nach Eigur 1 ist die Yicklung eines Kleinstmotors TI in Serie mit der Emitter-Kollektorstrecke eines Steuertransistors T-, an die Klemmen +, - einer Batterie angeschlossen,

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welche eine Speisespannung von mehr als 1,7 V. liefert. Der Motor M ist beispielsweise ein Schrittmotor, der durch lntriebsimpulse gleicher Polarität "weiter—geschaltet wird, wobei diese Antriebsimpulse beispielsweise eine Dauer von 5 Millisekunden und eine Wiederholungsfrequenz von ein Hz aufweisen und durch das Offnen und Schliessen des Transistors I, bestimmt werden.

Der Motor M besitzt einen Breis.skreis. der durch die Parallelschaltung eines Transistors T^ zur Motorwicklung gebildet wird, wobei dieser Transistor so gesteuert wird, dass er unmittelbar nach dem Antriebsinrouls leitend wird.

In der Schaltung nach Figur 1 erfolgt die Steuerung des Motors mit Hilfe der Transistoren T-. und Tp auf folgende Weise., Die Basis des Transistors T-, ist über einen Widerstand R-. mit dem Kollektor eines Transistors T~ verbunden, dessen Emitter an eine der Belegungen eines Kondensators C angeschlossen ist. Die andere Belegung dieses Kondensators ist mit der negativen Klemme der Speisebatterie verbunden. Die Basis des Transistors T^ ist über einen Widerstand IU

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mit einer Singangsklemme I verbunden, welche an eine nichtdax-g3steilte Steuerimpulsquelle für den Motor angeschlossen ist. Sin Widerstand IL-, dessen G-rö'sse so gewählt ist, dass sein Energieverbrauch während des Steuerimpulses klein bleibt, ist syrischen den Punkt X -rziö. den negativen Pol der Speise-"batt er ie ge s ehalt et.

Während des Auftretens eines Steuerimpulses im Punkt I wird der Transistor T- leitend, wodurch ein Stromfluss durch die Basis von T_n ens teilt liiicL gleichzeitig ein den Motor antreibender Kollektorstrom auftritt. Im-selben Zeitpunkt wird der Kondensator C aus der Batterie durch den über R, und den

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Transistor T, fliessenden Strom geladen. Am Ende des Steuerimpulses sind die Transistoren T- und Τ_Ί neuerlich gesperrt, da das Potential des Punktes I über den Widerstand Rr auf dasjenige des negativen Batteriepoles zurückgebracht wird.

Die Basis des Transistors Tp ist über einen Widerstand Rp an den Kollektor eines Transistors T. angeschlossen, dessen Emitter an den gemeinsamen Verbindungspunkt des Kondensators C und des Emitters des Transistors T_? angeschlossen ist. Die Basis des Transistors T, ist über einen Widerstand R.

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an die Eingangsklsmme I angeschlossen, welcher die Steuerimpulse zugeführt werden. Während dieser Impulse sind die Transistoren T. und Tp gesperrt. Am Ende jedes Steuerimpulses wird der Transistor T. leitend und die im Kondensator C angesammelte Energie fliesst in Form eines Entladestromes über T., R₀ und die Basis-Emitterdiode des Transistors T_ ab. Der Transistor T^ wird dadurch leitend und bildet für den in der Motorwicklung induzierten Strom einen Pfad sehr geringen Widerstandes. Die Dauer der Öffnung des Transistors Tp wird durch die Werte von Rp und C bestimmt und beträgt beispiel sweise umgefähr 50 Millisekucien.

Die .Schaltung nach Figur 1 erlaubt somit die Energie., welche im Basisstrom' des Transistors 1_ des Speisekreises enthalten is": und die sonst nicht nützlich, verwendet würde, zu speichern und am Ende des Steuerimpulses verfügbar zu machen. Die Schaltung verbraucht- demnach keine Energie ausserhal'b ier Seitdauer des Antr.ieb^impulses. wodurch eine ir. den me Ip-ten T^llei: sehr bedeuterde Ersparme erhielt werde":, kann. In o\^jm ·..:; Beispiel angefühv.vr. Γε.11, ir. ^r\^::i ixe Dauer dea Antx^:ic^T:j-■..;.-.ilees 5 Killisekur: ".>.■.:, beträ'· ', und circ ¥iede,;holungs:^Frc·- • '^:-" ζ -;^ron ein Kz vo^v\'-i," ^t, wir.¹ :'ii-· noT-'-alerwe.i -,a zur Vr-::■ ■ j:..;·.-".:-··:..-? der .Tranöi::.: . ''"■ :_:ü - '. b-· ^ν;:^άε ^!/enn 99 . J₁ J

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des Arbeitssyklus eingespart;.

Die in Figur 1 dargestellte"Vorrichtung erfordet im Hinblick auf die dargestellte Schaltung der Transistoren C-j und Tu einerseits und Tv. und T,, andrerseits eine Speisespannung von mehr als 1,7 7. Für verschiedene Anwendungen ist es jedoch wünschbar Miniaturbatterie::- von geringerer Spannung zu verwenden, beispielsweise Batterien von 1,35 oder 1,5 7. In diesem Fall erlaubt die ir Figur 2 dargestellte Ausführungsform die Anwendung des Grundprinzips der srfindungsgemsssen Vorrichtung.

Tn der Schaltung nach Figur 1 sind die Schaltelemente, deren Funktion analog derjenigen der entsprechenden Elemente der Figur 1 ist in der gleichen ¥eise "bezeichnet und die Beschreibung der Schaltung wird zur 7er™eidung von Wiederholungen auf die Unterschiede gegenüber· der vorhergehenden Anordnung beschränkt.

Eachdem die Transistoren T₁ und Tu in den nun betrachteten Fall nicht mehr so geschaltet werden können^, dass die Zmitter-Basisdioie des einen in Serie sit der Emitter-Kollektorstrel-:- ke des anderen liegt, is~ ss nicht möglich den Basisstrom von ϊ- ¹ZXuI- Aufladung -des Zcudensators C zu verwenden ο Der Emitter von £_ ist daher direkt mit dem negativen Pol der Batterie verbunden und die Basen von TL und T~ werden parallel gesteuert; und zwar mit Zilfs eines durch den Transistor Su und einen Widerstand Z- gebildeten Hilfssteüerkreiseso Die Emitter-KollektorstrsÄe ö.es Trs:näis"Gors T_n. ist syrischen

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¥ährend des Steuerimpulses sind die Transistoren T₁-, T^ und T-, leitend, wobei der Transistor T- den Ladekreis des Kondensators C schliesst und der Basisstrom des Transistors T-über R₁ und T₁- zum negativen Pol der Batterie fliesst. Am Ende des Impulses ist der Bremskreis in der gleichen Weise vie in Figur 1 geschlossen.

Die mit der Schaltung nach Figur 2 erzielte Einsparung ergibt sich wiederum aus der Tatsache, dass die Vorrichtung keine Energie in den Ruhezeiten zwischen den Antriebsimpulsen verbraucht, da die jeweils zur Steuerung des Bremskreistransistors notwendige Energie während des vorhergehenden Impulses gespeichert wurde.

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Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE *-° ' ^

   l.JVerfahren zur Steuerung eines elektrischen Kleinstmotors, ^—' dem Antriebsimpulse aus einer G-Ieichspannungsquelle zugeführt werden und der einen eine parallel zur Motorwicklung geschaltete Schaltvorrichtung aufweisenden Bremskreis enthält, wobei die Schaltvorrichtung so gesteuert wird, dass dem in der Motorwicklung induzierten Strom in einem unmitterbar auf den AntrielDsimpuls folgenden Zeitintervall ein sehr kleiner Widerstand entgegensteht, und diesem Strom während der Dauer des Antriebsimpulses ein hoher Widerstand entgegensteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung (Tp) des Bremskreises durch die Entladung eines Kondensators (C)gesteuert wird, welcher während der Dauer des Antriebsimpulses aus der Gleichspannungsquelle (+, -) aufgeladen wird.

   2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der an die G-leichspannungsquelle angeschlossene Ladekreis des genannten Kondensators zumindest die Serienschaltung des Kondensators (C) und einer Schaltvorrichtung (T,) enthält, wobei diese Schaltvorrichtung (T~) so gesteuert wird, dass sie während der Dauer des Antriebsimpulses geschlossen ist, und dass der Entladekreis des Kondensators (C) zumindest eine weitere Schaltvorrichtung (T.) enthält und so ausgebildet ist, dass die Schaltvorrichtung (Tp) des Bremskreises bei der Entladung des Kondensators geschlossen wird, während die genannte Schaltvorrichtung (T.).des Entladekreises so gesteuert wird, dass sie in dem unmittelbar auf den Antriebsimpuls folgenden Zeitintervall geschlossen ist.

   j5. Vorrichtung nach Anspruch 2, in der die Schaltvorrichtung des Bremskreises ein Transistor ist, dessen Emitter-Kollektor

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   strecke parallel zur Motorwicklung liegt, dadurch gekennzeichnet, dass der Entladekreis des Kondensators (C) die Basis-Emitterstrecke oder Basis-Kollektorstrecke dieses Transistors (Tp) enthält.

   A. Vorrichtung nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung des Entladekreises des Kondensators ein Transistor (T.) ist_; dessen Emitter-KoHektorstrecke über einen Widerstand (Rp) mit der Basis des Bremskreistransistors (Tp) verbunden ist, während die Basis des Transistors (T.) des Entladekreises des Kondensators so gesteuert wird, dass dieser Transistor in dem unmittelbar auf den Antriebsimpuls folgenden Zeitintervall leitend wird.

   5. Vorrichtung nach Anspruch 2, in welcher der Speisekreis des Motors die Serienschaltung der G-Ieichspannungsquelle, der Emitter-Kollektor strecke eines Steuertransistors und der Motorwicklung enthält und der Antrieb des Motors durch die Öffnung und Schliessung des Steuertransistors unter der Einwirkung von aus einer Steuerimpulsquelle stammenden Impulsen erfolgt, dadurch gekennzeichnet , dass der Ladekreis des Kondensators (C) die Serienschaltung des Kondensators(C), der Emitter-Kollektorstrecke eines die Schaltvorrichtung des Ladekreises bilden den Transistors (T-), eines Widerstandes (R-.) und der iasis-Emitt er strecke oder Basis-Kollektorstrecke des Steuertransistors (T.,) des Speisekreises aufweist, und dass die Basis des Ladekreis transistors (T„) und die Basis des Entladekreistransistors (T-) über Widerstände (R-, R.) an die Steuerimpulsquelle angeschlossen sind, so dass der Ladekreistransistor (T,) nur während der Dauer der Steuerimpulse leitet, während welcher Dauer der Entladekreistransistor (T,) gesperrt ist, und dass der Entladekreistransistor während eines unmittelbar auf den Steuerimpuls folgenden Zeitintervalls leitet.

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   β. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet^dass die genannte Serienschaltung des Ladekreises direkt an die Gleichspannungsquelle angeschlossen ist.

   7·■Vorrichtung nach Anspruch 6, in der der Speisekreis des Motors die Serienschaltung der Gleichspannungsquelle, der Emitter-Kollektorstrecke eines Steuertransistors und der Motorwicklung enthält, wobei der Antrieb des Motors durch die Öffnung und Schliessung des Steuertransistors unter der Einwirkung von aus einer Steuerimpulsquelle stammenden Impulsen erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis des Steuertransistors (T₁) des Speisekreises, die Basis des Ladekreistransistors (T,,) und die Basis des Entladekreistransistors (T-) über einen Hilfssteuerkreis an die Steuerimpulsquelle angeschlossen sind, so dass die beiden ersteren (T₁, T~) dieser Transistoren nur während der Dauer des Steuerimpulses leiten und der dritte Transistor (T.) zumindest während dieser Dauer gesperrt ist, und dass dieser dritte Transistor (T.) in einem unmitt'
   folgenden Zeitintervall leitet.

   Transistor (T.) in einem unmittelbar auf den Steuerimpuls

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