DE2823110A1

DE2823110A1 - Steuerung fuer einen schrittmotor

Info

Publication number: DE2823110A1
Application number: DE19782823110
Authority: DE
Inventors: Masaharu Shida; Akira Torisawa; Makoto Ueda
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1977-06-17
Filing date: 1978-05-26
Publication date: 1978-12-21
Also published as: HK40782A; FR2394916B1; CH629646B; US4241434A; GB1557145A; JPS547374A; CH629646GA3; FR2394916A1

Description

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DIPL.-PHYS. F. ENDLICH germering 18. Mai 1978 S/kn

PATENTANWALT 3

phonT München β4&9β^ ^J · ^IU

TELEGRAMMADRESSE: _{PATENDLICH mOnchEN} CABLE ADDRESS: DIPL.-PHYS. F. ENDLICH POSTFACH. D - 8O34 GERMERINQ

TELEX: »2 I73O PATE

Meine Akte: D-4442

Kabushiki Kaisha Daini Seikosha Tokio, Japan

Steuerung für einen Schrittmotor

Die Erfindung betrifft eine Steuerung für einen Schrittmotor gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Zur Ausführung mehrerer Funktionen, beispielsweise einer Zeitkorrektur oder der Korrektur einer Zeitdifferenz auf elektrische Weise werden in elektronischen Uhren, insbesondere Armbanduhren, Schrittmotoren verwendet, die im Rückwärtsbetrieb arbeiten können. Bei bekannten Steuerungen bzw. Verfahren zur Steuerung solcher Schrittmotoren, insbesondere zum Rückwärtsbetrieb der Schrittmotoren, wird der Zeiger mechanisch bewegt oder es wird die Position des Rotors dadurch erfaßt, daß eine Stromwellenform oder ähnliches benutzt wird und ein Impuls zusätzlich erzeugt wird, der seine Polarität in ent-

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sprechender Zeitabstiramung ändert. Derartige Möglichkeiten oder Verfahren eignen sich jedoch nicht fUr eine Massenproduktion. Außerdem ist es schwierig, eine öußerst zuverlässige Umkehrung der Drehrichtung des Motors zu erreichen, ohne eine Leistungsverringerung zum Zeitpunkt der Drehung zu verhindern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuerung fUr einen Schrittmotor zu schaffen, mit welcher der Schrittmotor in Rückwärtsrichtung gedreht werden kann, wobei der Schrittmotor durch eine einzige Wicklung ansteuerbar ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Hauptanspruchs gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den UnteransprUchen.

Die erfindungsgemäße Steuerung eignet sich insbesondere fUr Schrittmotoren für elektronische Uhren und ermöglicht einen Betrieb des Schrittmotors in Rückwärtsrichtung, wobei der Motor durch eine einzige Wicklung angetrieben wird.

Die Erfindung läßt sich bei jedem Schrittmotor einsetzen, der eine einzige Wicklung aufweist und durch Wechsel-Antriebsimpulse angetrieben wird, und zwar unabhängig von der Form des Motors usw. Da die Erfindung ein breites Anwendungsgebiet hat, läßt sich ein besonders bemerkenswerter Effekt erreichen. Die Erfindung ist auch auf andere Motoren, beispielsweise auf Motoren mit Wicklung ohne Kern, anwendbar.

Im folgenden wird eine bevorzugte AusfUhrungsform der Erfindung anhand der Zeichnung zur Erläuterung weiterer Merkmale beschrieben. Es zeigt:

Fig. la, Ib eine Ansicht und Seitenansicht eines Schrittmotors,

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Fig. 2α bis 2d Darstellungen zur Erläuterung der Arbeitsweise eines Schrittmotors in Vorwärtsrichtung,

Fig. 3a, 3b ein Beispiel einer Steuerspannung für den Schrittmotor sowie des durch die Wicklung fließenden Stromes,

Fig. 4 ein Beispiel eines Spannungsverlaufs zum Betrieb des Motors in Rückwärtsrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 5 ein Diagramm zur Erläuterung des Antriebs des Motors in Rückwärtsrichtung,

Fig. 6 eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung des Verhältnisses zwischen dem Drehwinkel des Rotors und der magnetischen Energie,

Fig. 7 ein Diagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise des Schrittmotors,

Fig. 8 Darstellungen des Antriebsstroms in RUckwärtsrichtung, der bei der erfindungsgemäßen Steuerung erzeugt wird,

Fig. 9 ein Blockschaltbild der Steuerschaltung mit den Schrittmotor,

Fig. 10 ein Zeitdiagramm von in der Steuerschaltung erzeugten Signalen, und

Fig. 11a, 11b eine bevorzugte AusfUhrungsform der Schaltung sowie von in dieser Schaltung auftretenden Signalen.

Die Fig. la und Ib zeigen eine Ansicht und Seitenansicht eines Schritt-

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motors fUr eine elektronische Armbanduhr mit Analoganzeige.

Fig. 2 gibt Diagramme zur Erläuterung der Betriebsbedingungen des Schrittmotors wieder, der sich in Vorwärtsrichtung dreht. Eine Spannung, deren Richtung sich jede Sekunde ändert und die gemäß Fig. 3a eine Breite (impulsbreite) von 7,8 msec hat, wird an den Motor angelegt. Fig. 2a zeigt die Position des Rotors zu dem Zeitpunkt, an welchem die Spannung bzw. das impulsförmige Spannungssignal nicht an den Motor angelegt ist. Die stationäre Stellung des Rotors wird durch Auskerbungen q. und q_ bestimmt. Fig. 2b zeigt den Zustand, in welchem die Magnetpole im Stator 1 durch Anlegen der Spannung an den Motor erzeugt werden, infolgedessen eine abstoßende Kraft auf den Rotor 2 wirkt. Wenn der an den Motor angelegte Strom unterbrochen wird, nimmt der Rotor die in Fig. 2b gezeigte Position ein und der Rotor 2 kommt in der in Fig. 2d gezeigten Lage zum Stillstand, wobei er sich um 180 aus der in Fig. 2a gezeigten Stellung gedreht hat. Danach wiederholt der Rotor 2 die gleiche Bewegung und dreht sich weiterhin in einer vorbestimmten Richtung, d.h. in der Vorwärtsrichtung durch Änderung der Richtung der Spannung, die an den Motor angelegt wird.

Fig. 3i zeigt ein Beispiel der Antriebs- oder Steuerspannung, die an die Wicklung 3 angelegt wird. Um den Rotor 2 in der vorbestimmten Richtung drehen zu lassen, wird ein Steuer- oder Antriebsimpuls angelegt, der seine Polarität ändert; ein derartiger Schrittmotor hat eine magnetische oder mechanische Schalteinheit, durch welche die Richtung der Drehung bestimmt wird, d.h. die Drehung in einer Richtung beibehalten wird.

In folgenden wird das Prinzip der RUckwärtsdrehung des Rotors 2 erläutert. Die drei Impulse, die kontinuierlich ihre Richtung ändern,

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sind in Fig. 4a gezeigt und werden an den Motor, d.h. an die Wicklung, angelegt.

Fig. 5 zeigt den Zustand, in welchem sich der Rotor 2 im Stillstand befindet. Gemäß Fig. 5a erfolgt die Drehung des Rotors 2 in Vorwärtsrichtung entgegen dem Uhrzeigersinn. Ein erster Impuls P. wird an den Motor angelegt, um den Rotor 2 in Vorwärtsrichtung zu drehen; Fig. 5b zeigt diesen Zustand. Wenn daraufhin der Rotor 2 in die Nähe der Auskerbung q, kommt, werden Magnetpole im Stator 1 gemäß der Darstellung nach Fig. 5c hervorgerufen. Dies ist der Zustand zu dem Zeitpunkt, an welchem der Impuls P. an den Motor angelegt wird. Zu diesem Zeitpunkt wird der Rotor im Uhrzeigersinn durch den Impuls P~ bewegt, infolgedessen sich der Rotor nunmehr in der zur vorherigen Drehrichtung entgegengesetzten Richtung dreht. Wenn der Rotor 2 in die Nähe der Rotorlage, die in Fig. 5d dargestellt ist, kommt, wird ein Iiapuls P~, der unterschiedliche Richtung gegenüber dem Impuls P~ hat, an den Motor angelegt.

Fig. 6 zeigt das Verhältnis zwischen der Rotorlage und der gesamten magnetischen Energie, die der Motor hat (wenn keine Spannung an den Motor angelegt wird). Fig. 7 veranschaulicht die Bestimmung der Position des Rotors 2. In diesem Fall ist die Vorwärtsdrehung des Rotors 2 als positive Richtung des Winkels β definiert, während die Rückwärtsdrehrichtung des Rotors 2 als negative Richtung bzw. negativer Winkel Θ angenommen wird. Darüber hinaus wird angenommen, daß sich der Rotor 2 in einer Position befunden hat, in welcher der Winkel Q X /4 ist. Der Rotor 2 wird durch den Impuls P- in positiver Richtung des Winkelwertes θ bewegt. Wenn der Winkel etwa 3JC/4 ist, wird der Rotor 2 durch den Impuls P~ in negativer Richtung des Bezugswertes 6> gedreht. Wenn der Wert & ungefähr Null wird, hat der Rotor eine große kinetische Energie auf Grund der durch den Impuls P_

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ausgeübten Kraft; zu einen Zeitpunkt, an welchem die magnetische Energie abnimmt, wird eine Art potentieller Energie erreicht. Durch

Anlegen des Impulses P₀ an den Rotor in der in Fig. 5d gezeigten

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Richtung wird der Motor in negativer Richtung des Winkel Θ· gedreht, infolgedessen der Rotor sich weiterhin dreht. Nach Unterbrechung des Impulses P₃ bewegt sich der Rotor 2 aus der in Fig. 5a gezeigten Position um - X und steht dann still. Durch eine Reihe der vorstehend beschriebenen Operationen wird die Drehung des Rotors 2 in Rückwärtsrichtung beendet. Wenn danach der Rotor 2 in der umgekehrten Richtung (Rückwärtsrichtung) gedreht wird, muß die Richtung der Impulse P. bis P₃ gegenüber Fig. 4b die umgekehrte Richtung einnehmen. Fig. 8 zeigt den Stromverlauf im Zustand einer Rückwärtsdrehung des Rotors 2.

Fig. 9 zeigt ein Blockschaltbild einer AusfUhrungsform der Erfindung. Eine Oszillatorschaltung 50 enthält einen Kristall mit einer Schwingfrequenz von 32,768 KHz; dieses Ausgangssignal wird in einer Frequenzteilerschaltung 51 geteilt. Die Frequenzteilerschaltung 51 besteht aus einer 15-stufigen Flipflop-Anordnung, die das Ausgangssignal der Oszillatorschaltung 50 bis auf ein 1-Hz-Signal herabteilt. Eine Schaltung 52 kombiniert die am Ausgang der Flipflops der Frequenzteilerschaltung erhaltenen notwendigen Impulse, um den Schrittmotor in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung zu drehen. Zur gleichen Zeit wird der eine Drehung in Vorwärtsrichtung oder in Rückwärtsrichtung hervorrufende Impuls an eine Antriebsschaltung 53 durch ein Signal einer Steuerschaltung 55 für die Vorwärts- oder Rückwärtsdrehung angelegt und der Schrittmotor 54 wird durch die Antriebsschaltung 53 angetrieben.

Fig. 10 zeigt ein Zeitdiagrann der Ausgangssignale der Frequenzteilerschaltung 51 und eines Teils der Kombinationsschaltung 52.

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Die Kombinationsschaltung 52 kombiniert den Antriebsimpuls P für

die Rückwärtsrichtung, den Antriebsimpuls P für die Vorwärtsrichtung

und die Invertierungs- oder Umkehrungsimpulse φ., φ~ und φ,*.

Diese Impulse lassen sich durch folgende Gleichungen angeben: ^Pr=³10- ⁵Il · ^δ12· ³13 · ^δ14· «15

= Qj · Qe · Qv· . Q-T · Q · P

4 5 6 7 8η

= Q. . Q_K . Q, . Q₇ . Q₀ . P
4 5 6 7 8η

φ« = Q. . Q_K . Q_Ä . Q . Q . P ο 4 5 6 7.8 η

Fig. 11α zeigt den restlichen Teil mit Ausnahme des erklärten Teils der Kombinationsschaltung 52, der Antriebsschaltung 53 und des Schrittmotors 54.

Die Steuerschaltung 55 für die Vorwärts- oder RUckwärtsdrehung besteht aus einem RS-Flipflop 70, dessen Rückstell-Eingang an einen Anschluß 61 für ein die Vorwärtsdrehung bestimmendes Signal angeschlossen ist, während der Setz-Eingang des Flipflops an einen Anschluß 60 zur Abgabe eines die RUckwärtsdrehung bestimmenden Signals angelegt ist. Ein Ausgang Q des Flipflops 70 ist mit einem ersten UND-Glied eines UND-ODER-Glieds 71 angeschlossen, während der Ausgang Q des Flipflops 70 an · ein· zweites UND-Glied des Glieds 71 und an einen Eingang eines NOR-Glieds 73 angeschlossen ist. Ein Eingang 65 für einen Umkehrungsimpuls φ_ und ein Eingang 66 für einen Umkehrungsimpuls, fL sind mit einem NOR-Glied 72 verbunden, während der Ausgang dieses NOR-Glieds 72 an einen Eingang eines NOR-Glieds 73 angelegt ist, dessen Ausgang zu einem Eingang eines ODER-Glieds 74 gefuhrt ist. Ein einen RUckwärtsimpuls (^ liefernder Eingang 64 ist mit einem weiteren Eingang des ODER-Glieds 74 verbunden, dessen Ausgang (B) an den Takt-Eingang CL eines Flipflops 75 angeschlossen ist.

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Der Ausgang Q des Flipflops 75 ist an einen Eingang eines NAND-Glieds 76 und der Ausgang Q des Flipflops 75 an einen Eingang eines NAND-Glieds 77 angeschlossen. Ein einen Rückwärts-Antriebsimpuls P liefernder Eingang 62 ist mit dem ersten UND-Glied des UND-ODER-Glieds 71 verbunden, während ein einen Vorwärts-Antriebsirapuls P liefernder Eingang 63 an das zweite UND-Glied des UND-ODER-Glieds 71 angeschlossen ist; der Ausgang des Glieds 71 ist mit jeweils einem Eingang der NAND-Glieder 76, 77 verbunden.

Der Ausgang des NAND-Glieds 76 ist mit einer Wicklung 80 des Schrittmotors über einen Steuerinverter 78 verbunden. Der Ausgang des NAND-Glieds 77 ist über einen weiteren Steuer- oder Antriebsinverter 79 mit der anderen Seite der Wicklung 80 des Schrittmotors verbunden.

Unter Bezugnahme auf die Fig. lla und 11b wird im folgenden die Arbeitsweise der beschriebenen Schaltung erklärt. Im Normalzustand liegt das vom Anschluß 61 abgegebene Signal für eine Vorwärtsdrehung, das dem RS-Flipflop 70 zugeführt wird, auf dem Wert ■ "H", infolgedessen der Ausgang Q auf dem Pegel "H" liegt. In diesem Fall erfolgt der Betrieb entsprechend dem Zeitdiagramm für die Vorwärtsrichtung in Fig. 11b (Normaldrehung).

Der Ausgang des Glieds 71 wird den NAND-Gliedern 76, 77 als Antriebsimpuls fUr eine Drehung in Vorwärtsrichtung zugeführt und entweder das Signal C oder D nimmt den Pegel "H" an, während das jeweils andere Signal den Pegel "L" annimmt, was von dem Zustand des Fliflops 75 abhängt; dabei fließt ein Strom durch die Wicklung 80. Da ein Eingangssignal B an das Flipflop 75 angelegt wird, welches synchron zu dem Vorwärts-Antriebsimpuls P ist, ändert sich der Zustand des

Flipflops 75 jede Sekunde.

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Nunmehr wird der Betrieb des Schrittmotors im Falle einer Drehung in Rückwärtsrichtung beschrieben. Wenn das Signal für die Rückwärtsrichtung, das am Anschluß 60 vorliegt, den Wert "H" annimmt, ergibt sich am Ausgang Q des Flipflops 70 ebenfalls der Wert ¹¹H" und das Ausgangssignal am Ausgang des UND-ODER-GIieds 71 stellt einen Antriebsimpuls P für die Rückwärtsdrehung dar. Infolgedessen wird der Impuls P für den Antrieb in Rückwärtsrichtung an die Wicklung 80 geführt.

Wenn andererseits der Betrieb in Rückwärtsrichtung erfolgt, werden die Rückwärts-Impulse φ., φ_ und (L an das Flipflop 75 als Eingangssignal B angelegt, wie dies aus Fig. 11 ersichtlich ist und das Flipflop 75 wird bei jedem Anlegen des Signals (j> umgeschaltet. Daher ergibt sich als durch die Wicklung 80 fließendes Stromsignal das Signal C-D gemäß Fig. lib.

Bei der dargestellten Ausführungsform hat der Impuls P, eine Impulsbreite von 2,4 msec, der Impuls P« eine Impulsbreite von 4,9 msec und der Impuls P« eine Impulsbreite von 8,3 msec.

Gemäß vorstehender Beschreibung ist gemäß der Erfindung nur eine geringfügige Änderung der Schaltung erforderlich, ohne daß dabei eine Änderung der mechanischen Teile notwendig ist; daher sind der Aufwand bzw. die Kostenerhöhung für dies? Änderung klein. Da die Massenkraft des Rotors bei der Rückwärtsdrehung erfindungsgemäß durch die Impulse P und P- erhöht wird, verringert sich die Antriebsspannung. Wenn daher die Antriebskraft auf Grund der Wicklung verringert wird, wird die Drehung in Rückwärtsrichtung stabil ausgeführt und das Drehmoment in Rückwärtsrichtung ist groß.

Wenn der Rotor des Schrittmotor aus Samarium-Kobalt besteht, der

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Außendurchtnesser des Rotors 1,3 mm, der Innendurchmesser des Rotors 0,7 mm und die Breite des Rotors 0,6 mm bei einem Innendurchmesser des Stators von 2 mm beträgt, der Widerstand der Wicklung 2,25 K -Ω- und die Zahl der Windungen 7 300 ist, dann ergibt sich bei einer Impulsbreite von 2,4 msec für den Impuls P, bei einer Impulsbreite von 4,9 msec des Impulses P„ und eine Impulsbreite von 8,3 msec

des Impulses P„, daß der Bereich der Betriebsspannung von 1,1 Volt ο

bis 2,0 Volt liegt; dies hat sich durch Experimente bestätigt. Ferner wurde bestätigt, daß der Bereich der Spannung zwischen 1,3 Volt und 1,8 Volt liegt, auch wenn eine nicht gleichförmige Charakteristik auf Grund der Massenherstellung in Betracht gezogen wurde.

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Claims

Patentansprüche

1. Steuerung für einen Schrittmotor, insbesondere für eine elektronische Uhr, deren Rotor durch einen wechselnden Impuls in Vorwärtsrichtung gedreht wird,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltung (55) zur Abgabe, von wenigstens drei Wechselimpulsen vorgesehen fst und daß sich der Rotor (2) in Rückwärtsrichtung durch Anlegen der drei Impulse zum Zeitpunkt der Drehung des Rotors drehen kann.

2. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung (55) ein Flipflop (70) zum Empfang von Steuersignalen für die Rückwärtstjrehung und Vorwärtsdrehung aufweist und mit einer Schaltung (52) zur Kombinierung von Impulsen (P , P ) für eine Rückwärtsdrehung und Vorwärtsdrehung verbunden ist.

3. Steuerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kombinationsschaltung (52) Anschlüsse (62 bis 66) zum Empfang von

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Steuerimpulsen (P , Ρ ,Φ,, Φ_ο, ί)_ο) aufweist, r η ι ' Z. ύ

4. Steuerung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kombinationsschaltung (52) logische Glieder (71 bis 77) aufweist und ausgangsseitig über eine Antriebsschaltung (53) mit dem Schrittmotor (54) verbunden ist.

5. Steuerung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kombinationsschaltung (72) ein Flipflop (75) aufweist, welches ein durch logische Glieder (72 bis 74) bestimmtes Ausgangssignal von Umkehr-Impulsen (<J>w Φο# Φο) empfängt.

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