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Schaltungsanordnung zum Erzeugen von Schrittimpulsen für den
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Antrieb eines Schrittmotors.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen
von Schrittimpulsen für den Antrieb eines Schrittmotors, bei der ein Frequenzteiler
vorgesehen ist, an dem Taktimpulse vorgegebener Folgefrequenz anliegen und der die
Schrittimpulse abgibt, deren jeweilige Folge frequenz gleich ist der mit durch Datenwörter
einstellbaren Faktoren multiplizierten Folgefrequenz der Taktimpulse und bei der
eine Zählstufe vorgesehen ist, die durch Zählimpulse während der Beschleunigung
bzw. Verzögerung des Schrittmotors aufwärts bzw. abwärts gezählt wird und die entsprechend
ihrem jeweiligen Zählerstand den Datenwörtern zugeordnete Zahlenwörter abgibt.
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Aus einer Veröffentlichung "Celerate the digital stepping motor",
Electronic Design 1, 4. Januar 1973, Seiten 84 bis 87 ist bereits eine Schaltungsanordnung
zum Erzeugen von Schrittimpulsen für den Antrieb eines Schrittmotors bekannt. Diese
Schaltungsanordnung enthält einen Frequenzteiler, dessen Eingang Taktimpulse vorgegebener
Folge frequenz zugeführt werden und der an seinem Ausgang die Schrittimpulse abgibt.
Die Folgefrequenz der Schrittimpulse ist gleich der mit einem Faktor, der üblicherweise
kleiner als 1 ist, multiplizierten Folgefrequenz der Taktimpulse. Der Faktor wird
durch ein Datenwort bestimmt, das an dem Frequenzteiler anliegt. Die Schaltungsanordnung
enthält weiterhin einen Zähler, der durch Zählimpulse vorgegebener Folge frequenz
aufwärts oder abwärts gezählt werden kann. Ein dem jeweiligen Zählerstand zugeordnetes
Zahlenwort
stellt unmittelbar das dem Frequenzteiler zugeführte Datenwort dar. Während der
Beschleunigung des Schrittmotors wird der Zähler mittels der Zählimpulse, deren
Folgefrequenz wesentlich kleiner ist als diejenige der Taktimpulse, ausgehend von
einem Anfangszählerstand bis zu einem Endzählerstand aufwärts gezählt. In Abhängigkeit
von dem jeweiligen Zählerstand der Zählstufe steigt auch die Folgefrequenz der Schrittimpulse
ständig an. Wenn die Zählstufe ihren Endzählerstand erreicht hat, wird ein weiteres
Zählen verhindert und die Folgefrequenz der Schrittimpulse wird nicht mehr verändert.
Beim Anhalten des Schrittmotors wird die Zählstufe mittels der Zählimpulse wieder
abwärts gezählt.
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In entsprechender Weise wie beim Beschleunigen des Schrittmotors wird
damit wieder die Folgefrequenz der Schrittimpulse in Abhängigkeit von dem jeweiligen
Zählerstand der Zählstufe erniedrigt.
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Durch die Schaltungsanordnung kann die Folge frequenz der Schrittimpulse
so eingestellt werden, daß sie sich beim Beschleunigen und beim Verzögern des Schrittmotors
linear, logarithmisch oder exponentiell ändert. Weitere Möglichkeiten der Veränderung
der Folgefrequenz der Schrittimpulse sind bei dieser bekannten Schaltungsanordnung
nicht vorgesehen. Außerdem verändern sich die Folgefrequenzen der Schrittimpulse
beim Beschleunigen und beim Verzögern des Schrittmotors symmetrisch. Für bestimmte
Anwendungsfälle kann es jedoch zweckmäßig sein, andere, und insbesondere auch unsymmetrische
Zeitverläufe der Folgefrequenzen der Schrittimpulse zu verwenden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
anzugeben, mittels der beliebige Zeitverläufe der Folgefrequenzen der Schrittimpulse
erzeugbar sind.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei der Schaltungsanordnung der eingangs
genannten Art dadurch gelöst, daß im Verbindungsweg zwischen der Zählstufe und dem
Frequenzteiler ein die Datenwörter enthaltender Speicher angeordnet ist, an dessen
Adresseneingang die Zahlenwörter anliegen und der in Abhängigkeit von den Zahlwörtern
die einen gewünschten zeitlichen Verlauf der Beschleunigung und der Verzögerung
des Schrittmotors bestimmenden Datenwörter abgibt.
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Die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung hat den Vorteil, daß auf
einfache Weise beliebige Beschleunigungs- und Verzögerungscharakteristiken für den
Schrittmotor einstellbar sind. Die Beschleunigungscharakteristik kann beispielsweise
so eingestellt werden, daß der Schrittmotor immer ein maximales Moment aufweist
oder die Folgefrequenz der Schrittimpulse immer den größtmöglichen Wert aufweist,
bei dem noch ein Synchronismus zwischen den Schrittimpulsen und der Bewegung des
Schrittmotors vorhanden ist. Die Schaltungsanordnung erfordert darüber hinaus einen
geringen Aufwand und sie eignet sich in besonderer Weise zur Herstellung als integrierter
Schaltkreis.
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Eine unsymmetrische Charakteristik, d.h. eine unterschiedliche Charakteristik
während der Beschleunigung und während der Verzögerung wird auf einfache Weise erreicht,
wenn die während der Beschleunigung abgegebenen Datenwörter verschieden sind von
den beim Anlegen der gleichen Zahlenwörter während der Verzögerung abgegebenen Datenwörter.
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Um beim Anlegen der gleichen Zahlenwörter während der Beschleunigung
und während der Verzögerung unterschiedliche Datenwörter zu erhalten ist es zweckmäßig,
wenn der Speicher einen Umschalter enthält, der während der Beschleunigung bzw.
Verzögerung des Schrittmotors die der Beschleunigung bzw. der Verzögerung zugeordneten
Datenworte zum Frequenzteiler durchschaltet.
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Um zu Beginn der Beschleunigung des Schrittmotors ein optimales Drehmoment
zu erreichen ist es vorteilhaft, wenn die Werte der Datenworte nach Beginn der Beschleunigung
des Schrittmotors kurzzeitig wesentlich größer sind als die einer linearen Beschleunigung
zugeordneten Werte.
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Falls der Inhalt des Speichers nicht geändert werden soll, ist es
günstig, wenn als Speicher ein Festwertspeicher vorgesehen ist.
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Falls die Zeitdauer der Verzögerung des Schrittmotors kürzer ist als
die der Beschleunigung und damit für die Verzögerung weniger Datenworte als für
die Beschleunigung erforderlich sind, ist es
von Vorteil, wenn die
Zählstufe zu Beginn der Verzögerung auf einen Zählerstand eingestellt wird, der
gleich ist einem vorgegebenen Bruchteil des vor der Verzögerung erreichten Zählerstandes.
Ein besonders geringer Schaltungsaufwand wird erreicht, wenn die Zählstufe auf die
Hälfte des vor der Verzögerung des Schrittmotors erreichten Zählerstandes einstellbar
ist.
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Um eine von den Absolutwerten der Folgefrequenz der Schrittimpulse
unabhängige Charakteristik bei der Beschleunigung und der Verzögerung des Schrittmotors
zu erreichen ist es von Vorteil, wenn der Zählstufe als Zählimpulse die Schrittimpulse
zugeführt werden.
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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung
anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild der Schaltungsanordnung, Fig.
2 ein die Folge frequenz der Schrittimpulse als Funktion der Zeit darstellendes
Diagramm, Fig. 3 ein Schaltbild eines Frequenzteilers und eines in einem Speicher
vorgesehenen Umschalters, Fig. 4 ein Schaltbild einer Zählstufe.
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Die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung zum Erzeugen von Schrittimpulsen
für den Antrieb e-e; Schrittmotors ist beispielsweise in einer Fernschreibmaschine
zur Steuerung des Rücklaufs des Wagens vorgesehen. Der Rücklauf des Wagens ist in
möglichst kurzer Zeit auszuführen und die Folge frequenz der Schrittimpulse muß
damit möglichst groß sein. Die Bewegung des Wagens beim Rücklauf setzt sich aus
drei Abschnitten zusammen, nämlich der Beschleunigung, einem Lauf mit konstanter
Geschwindigkeit und einer Verzögerung. Ein Wagenrücklaufbefehl, der beispielsweise
durch das Schließen eines Schalters SW1 ausgelöst wird, setzt den Wagenrücklauf
in Gang. Der Schalter SW1 gibt ein dem Wagenrücklaufbefehl zugeordnetes Signal S1
an einen Frequenzteiler FT ab. Am Frequenzteiler FT liegen in einem Taktgeber TG
erzeugte Taktimpulse T an.
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Der Frequenzteiler FT gibt an seinem Ausgang Schrittimpulse SI ab,
die über eine Verstärkerstufe V einem Schrittmotor SM zugeführt werden. Die Folgefrequenz
der Schrittimpulse SI ist gleich der
mit einem Faktor multiplizierten
Folgefrequenz der Taktimpulse T. Der Faktor, der üblicherweise kleiner als 1 ist,
wird durch ein Datenwort DW angegeben, das ebenfalls an den Eingängen des Frequenzteilers
FT anliegt.
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Die Datenwörter DW sind in einem Speicher SP, der beispielsweise als
Festwertspeicher ausgebildet ist, gespeichert. Die Adressierung der Datenwörter
DW in dem Speicher SP erfolgt durch Zahlenwörter ZW, die dem Speicher SP von einer
Zählstufe ZS zugeführt werden. Der Speicher SP enthält einen Adressendecodierer,
der den Zahlenwörtern ZW zugeordnete Signale zum Adressieren der Datenwörter im
Speicher SP erzeugt. Der Speicher SP enthält weiterhin einen Umschalter UM, der
gesteuert durch ein von einem Schalter SW3 abgegebenes Signal S3, eine erste bzw.
zweite Stellung einnimmt, in der der Beschleunigung bzw. Verzögerung des Schrittmotors
zugeordnete Datenwörter aus dem Speicher SP gelesen werden. Die der Beschleunigung
des Schrittmotors zugeordneten Datenwörter sind in einem Beschleunigungprogramm
BP und die der Verzögerung zugeordneten Datenwörter DW sind in einem Verzögerungsprogramm
VP zusammengefaßt. Weitere Einzelheiten der Schaltungsanordnung werden zusammen
mit dem in Fig. 2 dargestellten Diagramm beschrieben.
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Bei dem in Fig. 2 dargestellten Diagramm ist in Abszissenrichtung
die Zeit t und in Ordinatenrichtung die Folge frequenz f der Schrittimpulse SI dargestellt,
die auch der Bewegung des Schrittmotors SM entspricht.
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Zum Zeitpunkt tl wird durch Schließen des Schalters SW1 ein Wagenrücklaufbefehl
ausgelöst. Der Schalter SW1 gibt das Signal S1 an den Frequenzteiler FT ab und gibt
diesen frei. Die Schalter SW2 und SW3 sind geöffnet und der durch das Signal S3
gesteuerte Umschalter UM hat die in Fig. 1 durchgezogen dargestellte Stellung.
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Die Zählstufe ZS hat den Zählerstand 0 und gibt ein diesem Zählerstand
zugeordnetes Zahlenwort ZW an den Speicher SP ab. Der Adressendecodierer AD ruft
die unter der Adresse 0 gespeicherten Datenwörter DW im Speicher auf, jedoch nur
das im Beschleunigungsprogramm BP enthaltene Datenwort DW wird über den Umschalter
UM ausgelesen und dem Eingang des Frequenzteilers FT zugeführt.
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Der Frequenzteiler FT enthält beispielsweise einen Zähler, der jeweils
von einem veränderbaren, durch das Datenwort DW angebbaren Anfangszählerstand bis
zu einem konstanten Endzählerstand aufwärts gezählt wird. Nach jedem Erreichen des
Endzählerstandes gibt der Frequenzteiler FT einen Schrittimpuls SI ab und stellt
den Anfangszählerstand wieder auf den jeweils durch das Datenwort DW angegebenen
Wert ein.
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Durch das Signal S3 wird die Zählstufe ZS so eingestellt, daß sie
bei geöffnetem Schalter SW3, also während der Beschleunigung aufwärts zählt. Der
Zählstufe ZS werden als Zählimpulse die Schrittimpulse SI zugeführt. Nach dem ersten
von dem Frequenzteiler FT abgegebenen Schrittimpuls SI wird der Zählerstand der
Zählstufe ZS um eine Einheit erhöht und ein entsprechendes Zahlenwort ZW wird an
den Speicher SP abgegeben. In Abhängigkeit von diesem Zahlenwort ZW gibt der Speicher
SP ein neues Datenwort DW an den Frequenzteiler FT ab, und die Folgefrequenz der
Schrittimpulse wird damit in Abhängigkeit von dem neuen Datenwort geändert.
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Die Zählstufe ZS wird mit jedem Schrittimpuls 51 um eine Zähleinheit
erhöht und sie erreicht zum Zeitpunkt t2 einen vorgegebenen größten Zählerstand.
Dieser Zählerstand wird durch den Adressendecodierer AD im Speicher SP erkannt und
der Speicher SP gibt ein Signal S4 an die Zählstufe ZS ab, die ein weiteres Aufwärtszählen
verhindert. Zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 ändert sich das Zahlenwort ZW somit
nicht und aus dem Speicher SP wird immer das gleiche Datenwort DW abgegeben. Die
Folgefrequenz der Schrittimpulse SI bleibt damit konstant und sie ist so bemessen,
daß sie gleich der maximalen Geschwindigkeit des Schrittmotors SM zugeordnet ist.
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Der Wagen der Fernschreibmaschine erreicht somit zum Zeitpunkt t2
seine größte Geschwindigkeit und er behält diese solange bei, bis zum Zeitpunkt
t3, in der Nähe des linken Anschlags durch den Wagen selbst der Schalter SW3 geschlossen
wird, um die Verzögerung des Schrittmotors SM einzuleiten.
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Mit dem Schließen des Schalters SW3 bringt das Signal S3 den Umschalter
UM in die in Fig. 1 gestrichelt dargestellte Stellung und die Zählstufe ZS wird
so eingestellt, daß sie abwärts gezählt wird. Mit den nächstfolgenden Schrittimpulsen
SI wird der Zählerstand in der Zählstufe ZS jeweils um eine Einheit vermindert und
in ähnlicher Weise wie zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 werden zwischen den Zeitpunkten
t3 und t4 entsprechend der gewünschten Verzögerungscharakteristik verschiedene Datenwörter
DW aus dem Speicher SP ausgelesen. Durch die andere Stellung des Umschalters UM
werden jedoch jetzt die im Verzögerungsprogramm VP gespeicherten Datenwörter DW
ausgelesen und die Folgefrequenz der Schrittimpulse SI wird entsprechend der Verzögerungscharakteristik
vermindert.
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Zum Zeitpunkt t4, kurz vor dem linken Anschlag des Wagens der Fernschreibmaschine
erreicht die Zählstufe ZS wieder den Zählerstand 0 und der Adressendecodierer AD
gibt ein Signal S5 ab, das diesen Zählerstand 0 erkennt und ein weiteres Abwärtszählen
der Zählstufe ZS verhindert. Im Speicher SP ist jedoch unter der Adresse O ein Datenwort
DW gespeichert, das einer niedrigen Folgefrequenz der Schrittimpulse SI zugeordnet
ist. Da sich der Zählerstand der Zählstufe ZS nicht ändert, wird, ähnlich wie zwischen
den Zeitpunkten t2 und t3, immer das gleiche Datenwort DW aus dem Speicher SP ausgelesen
und der Wagen der Fernschreibmaschine bewegt sich weiter mit konstanter, kleiner
Geschwindigkeit.
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Zum Zeitpunkt t5 erreicht der Wagen der Fernschreibmaschine den linken
Anschlag und der Schalter SW2 wird geschlossen. Das vom Schalter SW2 abgegebene
Signal S2 sperrt den Frequenzteiler FT und es werden keine Schrittimpulse SI mehr
abgegeben. Gleichzeitig hält der Schrittmotor SM an.
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Falls die Beschleunigungscharakteristik und die Verzögerungscharakteristik
symmetrisch sind, ist nur ein einziges Programm im Speicher SP erforderlich und
auf den Umschalter UM kann verzichtet werden. In diesem Fall sind, unabhängig von
der Beschleunigung oder der Verzögerung den Zahlenwörtern ZW immer die gleichen
Datenworte zugeordnet.
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Falls die Verzögerung des Schrittmotors jedoch eine kürzere Zeitdauer
erfordert, kann die Zählstufe ZS zu Beginn der Beschleunigung auf einen Zählerstand
eingestellt werden, der gleich ist der Anzahl der für die Darstellung der Verzögerungscharakteristik
erforderlichen Datenwörter. Falls beispielsweise die Zählstufe ZS zum Zeitpunkt
t2 als größtmöglichen Zählerstand den Zählerstand 63 erreicht, und die Verzögerung
des Schrittmotors nur halb so lange dauert wie die Beschleunigung, kann die Zählstufe
zum Zeitpunkt t3 auf den Wert 31 eingestellt werden. In diesem Fall ist die Verzögerung
bereits nach 31 Schrittimpulsen SI beendet und die Verzögerungscharakteristik hat
damit einen wesentlich steileren Verlauf.
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Das in Fig. 3 dargestellte Schaltbild zeigt den Aufbau des Fre quenzteilers
FT und den des Umschalters UM in dem Speicher SP.
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Der Frequenzteiler FT enthält einen Zähler ZAl, zwei UND-Glieder U1
und U2 und ein Flipflop F1. Der Zähler ZAl ist beispielsweise als achtstufiger Zähler
ausgebildet. Das Signal S1 setzt das Flipflop F1 und das Signal am Ausgang des Flipflops
F1 gibt das UND-Glied U1 frei, das die Taktimpulse T zum Zähler ZAl durchschaltet.
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Ausgehend von einem Anfangszählerstand erhöht sich der Zählerstand
des Zählers TA1 mit jedem Taktimpuls T um eine Einheit. Wenn der Zähler ZAl den
Zählerstand 254 erreicht hat, gibt das UND-Glied U2 einen Schrittimpuls SI ab, der
einerseits über die Verstärkerstufe V zum Schrittmotor SM abgegeben wird und der
andererseits am Setzeingang des Zählers ZAl anliegt. Mit dem Auftreten des Schrittimpulses
SI wird der Zähler ZAl auf einen Anfangszählerstand eingestellt, der durch die dem
jeweiligen Datenwort DW zugeordneten Signale DW1 bis DW8 angegeben wird. Je höher
der Wert des Datenwortes ist, desto schneller erreicht der Zähler ZAl den Zählerstand
254 und desto höher ist damit die Folgefrequenz der Schrittimpulse SI.
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Bei der Beendigung des Wagenrücklaufs setzt das Signal S2 das Flipflop
F1 zurück. Das Signal am Ausgang des Flipflops F1 sperrt das UND-Glied U1 und es
werden keine Taktimpulse T mehr zum Zähler ZA1 durchgeschaltet, so daß dieser gesperrt
wird und keine Schrittimpulse SI mehr an den Schrittmotor abgibt.
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Der im Speicher SP vorgesehene Umschalter UM enthält acht UND/ODER-Glieder
U01 bis U08, sowie ein Flipflop F2. Das Signal S1 setzt zu Beginn des Wagenrücklaufs
das Signal S2 und das Signal am nichtinvertierenden Ausgang des Flipflops F2 gibt
damit jeweils die linken UND-Glieder in den UND/ODER-Gliedern U01 bis U08 frei.
Damit werden die im Beschleunigungsprogramm BP zusammengefaßten Datenwörter, die
durch die Signale BP1 bis BP8 dargestellt werden, durch die an den Ausgängen der
UND/ODER-Glieder U01 bis U08 abgegebenen Signale DW1 bis DW8 zum Frequenzteiler
FT durchgeschaltet.
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Zu Beginn der Verzögerung des Schrittmotors setzt das Signal S3 das
Flipflop F2 zurück und das Signal am invertierenden Ausgang des Flipflops F2 gibt
die jeweils rechten UND-Glieder in den UND/ ODER-Gliedern U01 bis U08 frei, während
gleichzeitig jeweils die linken UND-Glieder in den UND/ODER-Gliedern U01 bis U08
gesperrt werden. Damit werden während der Verzögerung die im Verzögerungsprogramm
VP zusammengefaßten, durch die Signale VP1 bis 4P8 dargestellten Datenwörter durch
die am Ausgang der UND/ODER-Glieder U01 bis U08 abgegebenen Signale DWl bis DW8
zum Frequenzteiler FT durchgeschaltet.
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Die in Fig. 4 dargestellte Zählstufe ZS enthält einen Zähler ZA2,
ein UND-Glied U3, ein NOR-Glied N und ein Flipflop F3, das mit dem Flipflop F2 identisch
sein kann. Zu Beginn der Beschleunigung des Schrittmotors setzt das Signal S1 das
Flipflop F3 und das Signal am Ausgang des Flipflops F3 stellt den Zähler ZA2 so
ein, daß er durch die über das UND-Glied U3 abgegebenen Schrittimpulse SI aufwärts
gezählt wird. Der Zähler ZA2 ist beispielsweise als sechsstufiger Zähler ausgebildet
und er zählt beginnend mit dem Zählerstand 0 jeweils bis zum Endzählerstand 63.
Wenn der Zähler den Zählerstand 63 erreicht, gibt der Adressendecodierer AD das
Signal S4 ab und über das NOR-Glied N wird das UND-Glied U3 gesperrt, so daß keine
weiteren Schrittimpulse SI an den Zähleingang des Zählers ZA2 gelangen. Zu Beginn
der Verzögerung des Schrittmotors setzt das Signal S3 das Flipflop F3 zurück und
stellt damit den Zähler ZA2 derart ein, daß er durch die Schrittimpulse SI abwärts
gezählt wird. Außerdem stellt das Signal S3 den Zähler ZA2 auf einen Anfangszählerstand
ein, der gleich ist einem Bruchteil des größten Zählerstands 63, beispielsweise
auf den Anfangswert 31.
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Dies wird in besonders einfacher Weise dadurch erreicht, daß die Ausgänge
des Zählers ZA2 mit den jeweils um eine Stelle nach links verschobenen Setzeingängen
des Zählers ZA2 verbunden werden. Wenn der Zähler ZA2 seinen Anfangszählerstand
0 erreicht hat, gibt der Adressendecodierer AD im Speicher SP das Signal S5 ab und
das UND-Glied U3 wird wieder gesperrt,.so daß keine weiteren Schrittimpulse am Zähleingang
des Zählers ZA2 anliegen. Um eine Selbsthemmung des Zählers ZA2 infolge des Sperrens
des UND-Glieds U3 durch die Signale S4 bzw. S5 zu verhindern, wird das Signal S4
aufgehoben, sobald der Zähler ZA2 abwärts gezählt wird und das Signal S5 wird aufgehoben,
sobald der Zähler ZA2 aufwärts gezählt wird.
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8 Patentansprüche 4 Figuren
L e e r s e i t e