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Steuerkreis zur wahlweisen Betätigung eines einer Reihe von Schrittmotoren
Die Erfindung betrifft elektrische Steuerkreise, insbesondere für elektrische Schrittmotoren. Schritt- motoren, die als vielpolige Reluktanzmotoren bezeichnet werden können. u. zw. entweder umlaufend oder linear, werden dadurch betätigt, dass nacheinander mit Gleichstrom eine Reihe von Polen am Stator erregt werden, u. zw. in einer Reihenfolge, die den Rotor zwingt, sich zu verdrehen, falls nötig, um kleine Winkel. Als Antriebskreis für einen derartigen Motor dient eine Schaltung, die den Polen Gleichstrom in der gewünschten Reihenfolge zuführt. Der Rotor kann durch Erregen eines oder zweier Polpaare festgehalten werden, wobei die Erregung eines Paares zu bevorzugen ist, da weniger Energie verbraucht wird.
Durch seine Eigenschaften ist der Schrittmotor besonders für Antriebsmechanismen geeignet, in denen eine geringe Geschwindigkeit benötigt wird und die Lage mit Genauigkeit über einen grossen Lastbereich steuerbar sein muss, z. B. einen Antriebsmechanismus für ein Ventil oder einen Steuermechanismus für einen Kernreaktor. Zur Steuerung einer Anzahl von Schrittmotoren kann ein einziger Antriebskreis verwendet werden. Es besteht jedoch die Gefahr, dass bei Umschalten des Antriebskreises von einem Motor zum ändern der vom Antriebskreis gelöste Motor frei läuft. Diese Schwierigkeit ist vermeidbar, wenn für jeden Schrittmotor ein eigener Antriebskreis vorgesehen ist und so jeder unabhängig von den andern durch seinen eigenen Antriebskreis geregelt wird. Bei einem Reaktorsteuermechanismus kann eine grosse Zahl von Antriebskreisen benötigt werden.
Erfindungsgemäss ist ein Steuerkreis zur auswahlweisen Betätigung eines jeden einer Reihevon Schrittmotoren vorgesehen, der eine Antriebsschaltung enthält, die den Polpaaren des ausgewählten Motors nacheinander Gleichstrom zuführt, sowie Auswahleinrichtungen zur Verbindung des Ausganges der Antriebsschaltung mit jedem der Motoren, Anordnungen zum Anhalten des Antriebskreises, die ein Relais mit einem Kontaktpaar im Antriebskreis zum Anhalten des ausgewählten Motors in einer gegebenen Phase (d. h. in einer Stellung, die der Erregung eines gegebenen Polpaares entspricht) enthält, sowie Schaltmittel, die nach der Betätigung des Anhaltekreises die Dauererregung des gegebenen Polpaares (Phase) durch Verbindung mit der Erdleitung ergeben, bevor ein neuer Motor an den Antriebskreis geschaltet wird.
Der Eingang des Antriebskreises wird vorzugsweise von einem Impulsgenerator gebildet, der von einem Impulszähler gesteuert wird. Der Impulsgenerator besitzt Einrichtungen zur Auswahl eines bestimmten Vorschubes (Winkeldrehung) des Motors durch Vorwahl der Impulszahl, die vor der automatischen Betätigung des Bremskreises erzeugt wird.
Zum besseren Verständnis der Erfindung sei diese nun an Hand eines Ausführungsbeispieles mit Bezug auf. die Zeichnungen beschrieben. Es wird hier eine Steuereinrichtung beschrieben, wie sie z. B. in Reaktorsteuerungen oder zum Verstellen mehrerer Ventile verwendet wird. Sie besitzt insbesondere folgende Merkmale :
1. Als Stellmotoren werden Reluktanzschrittmotoren (durch den magnetischen Widerstand gesteuerte Motore) verwendet.
2. Die Steuereinrichtung erlaubt es, eine grössere Anzahl von Schrittmotoren mit nur einer eigentlichen Antriebsschaltung zu bedienen. Es sind alle Motoren festgebremst bis auf einen, der mit der
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kreis bei einer bestimmten Phase wie unten beschrieben unterbrochen.
Die Impulszahl, die vom begrenzten Impulsgenerator an den Antriebskreis abgegeben wird, ist durch einen Impulswählschalter S mit zwei Kontaktbänken S2-1 und S2-2 gesteuert.
Die Konstruktion der Schaltung (gemäss Fig. 2) ermöglicht folgende Funktionen : ; a) Einen bestimmten aus der Anzahl der Schrittmotoren Ml, M2, M3 mittels eines Auswahlkreises auszuwählen, b) eine vorbestimmte Bewegung des ausgewählten Motors durch einen begrenzten Impulsgenerator und einen Impulszähler festzulegen, c) den ausgewählten Motor nach vorwärts und rückwärts mittels eines Antriebskreises und eines ) Steuerkreises zur Vor-und Rückbewegung anzutreiben.
In Fig. 2 sind drei Schrittmotoren MI, M2, M3 dargestellt, die je drei Phasen A, B und C haben, die über einen gemeinsamen Verbindungspunkt P mit der-30V-Leitung verbunden sind. Jede Phase kann mit
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der verzögernd abfallendentriebskreises über Relais Y, Y und Y verbunden, die in jeder Zuleitung zu den Motorwindungen Kontakte Y -1, Y -2, Y -3 usw. haben. Der Auswahlschalter S hat eine Kontaktbank S-2 zum Wählen des Relais Y und eine andere Kontaktbank S-l zur Auswahl des Verzögerungsrelais X.
Das Relais Y be-
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dieser Reihenfolge bei Auswahl eines Motors wird die Phase A mit dem Antriebskreis verbunden,-bevor dieser von der Erdleitung gelöst ist und bei Änderung der Auswahl wird die Motorphase A mit der Erdleitung verbunden, bevor sie vom Antriebskreis gelöst wird.
Eine mechanische Verriegelung, die in den Auswahlschalter S l eingebaut ist, hält den Schaltarm in seiner jeweiligen Stellung fest, es sei denn, der Kontaktarm S wird niedergedrückt ; nachdem er nach in- nen gedrückt ist, kann der Arm verschwenkt werden. Mit dem Niederdrücken des Armes öffnet sich der
Kontakt CO-1, der durch Unterbrechung einer Leitung im Bremskreis die Wirkung des Impulszählers un- terbindet, so dass vor Auswahl eines neuen Motors, wenn der vorher ausgewählte Motor läuft, der Antriebs- kreis unterbrochen wird. Das Niederdrücken des Armes öffnet auch die Kontakte CO-2 und CO-3 im Aus- wahlkreis, die es erlauben, das ausgewählte Relais nach Durchführung des Bremsvorganges zu entregen.
Aus diesem Grunde ist dasRelaisX als verzögert abfallendes Relais ausgebildet, damit dennoch ein Relais Y über einen der Kontakte X-2, X -2,X-2 erregt bleibt.
Gemäss Fig. 3 besteht der eigentliche Antriebskreis aus einem ternären Ringkreis, der die Polpaare der
Motoren in der richtigen Reihenfolge erregt, so lange sie bewegt werden sollen. Der ternäre Ringkreis be- sitzt drei Transistoren Tl, T2, T3, von denen zwei gesperrt sind und der dritte, z. B. Tl gesättigt ist.
Ein ankommender positiver Impuls sperrt Tl und bringt T2 in Sättigung. Der nächste Impuls sperrt T2 und bringt T3 in Sättigung. Die Folge der gesperrten Transistoren lautet Tl T2 ; T2 T3 ; T3 Tl. Die
Vor- und Leistungsverstärker bilden mit diesen Transistoren einen normalen Schaltkreis, so dass die Folge der erregten Motorphasen lautet A B B C, C A ; wenn die Kontakte F-l und F-2 geschlossen sind (vor-
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Der Halleverriegelungskreis betätigt das Relais N.
Wenn der ausgewählte Motor läuft, so ist der Eingang des Halteverriegelungskreises mit der Gleichspannungsquelle von-16V verbunden (durch Kontakt F-3 oder R-3, Stoprelaiskontakte ST-2 und die Bank S-l des Wählers S). Das Relais N wird erregt und der Kontakt N-1 geschlossen, Wenn der Eingang von der-16V Leitung gelöst wird-auf Grund des Bremsvorganges-so wird das Relais N erregt bleiben, bis der Transistor T3 in Sättigung ist. Wenn der Transistor T3 gesättigt ist (Transistor Tl ist gesperrt), so wird das Relais entregt und der Kontakt N-1 wird ge- öffnet. Der Kontakt N-1 liegt gemäss Fig. 3 im Emitterkreis des ternären Ringes ; er unterbricht die Verbindung zu Tl und T2, wodurch T3 gesättigt wird.
Der Grund für die Verriegelung zwischen dem Transistor T3 und dem Relais N ist der, dass in der
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Haltelage des Schrittmotors nur in einer bestimmten Lage, in diesem Beispiel die Phase A, erregt sein kann. (F-1j F-2 ; R-1 ; R-2 offen).
Zusammenfassend gibt es drei mögliche Zustände des Antriebskreises :
1) Unterbrochen : Der Eingang des Halteverriegelungskreises ist von der Gleichspannungsquelle i von -16 V gelöst ; das Relais N ist entregt, der Kontakt N -1 geöffnet.
Die Kontakte F-l ; F-2 ; R-2 sind offen. Der ausgewählte Schrittmotor ist in der Phase A erregt.
2) Vorwärts : Kontakte F-l, F-2 geschlossen, R-l, R-2 offen. Der Eingang des Halteverriegelungs- kreises ist mit der Gleichspannungsquelle von-16V verbunden. Das Relais N ist erregt. Der Kontakt N- 1 ist geschlossen.
3) Rückwärts : Die Kontakte R-l, R-2 sind- geschlossen, F-l, F 2 geöffnet. Der Eingang des Haltever- riegelungskreises ist mit der Gleichspannungsquelle von-16V verbunden. Das Relais N ist erregt. Der
Kontakt N-1 geschlossen.
Der begrenzte Impulsgenerator ist vorgesehen, um eine Anzahl Impulse zu erzeugen, die vier ver- schiedenen, vom Impulsgenerator gespeicherten Impulszahlen entsprechen. Jede dieser vier Impulszahlen i kann von der Bedienungsperson ausgewählt werden und nach der gewünschten Bewegung wird eine automa- tische Unterbrechung durchgeführt. Die Bedienungsperson kann auch eine Ausschaltstellung oder eine "Kriech"-Stellung auswählen, bei der die Bedienungsperson den Knopf für die Vorwärts- oder Rückwärts- bewegung so lange drücken muss, so lange sie eine langsame Bewegung des Schrittmotors wünscht (Fig. 5, 6).
Der begrenzte Impulsgenerator (s. Fig. 4) erzeugt die Impulse durch die Rotation einer Scheibe 11, die einen Randteil alla mit einer Anordnung von undurchlässigen und durchlässigen Teilen zwischen einer
Lichtquelle 12 und einem Phototransistor 13 besitzt. Die Scheibe wird von einem Synchronmotor mit einem Vorgelegegetriebe 14 angetrieben. Der Antrieb erfolgt über eine magnetische Kupplung CL, ein
Zeitschaltergetriebe 15, eine Zeitschalterwelle 16, eine Kupplungsbremse CL2 auf eine Spindel 16a, die die Scheibe 11 trägt.
Die Welle 16 (Fig. 4 und 5) trägt eine Reihe von Nocken, die vorgesehen sind, um Schaltkontakte SW1, SW2, SW3.. nach einem geeigneten Verdrehungswinkel der Welle 16 zu betätigen. Die Welle
16 trägt auch eine Reihe von Wählerplatten 17, die mit einer andern Plattenreihe 18 zusammenwirken, die auf einer parallelen Welle 19 befestigt ist. Die Welle 16 durchsetzt das Gehäuse der Anordnung und trägt einen Zeiger 20. Gemäss Fig. 6 trägt das Gehäuse Marken 0 - 1000/0, die den Prozentsatz der vom
Impulsgenerator gespeicherten Impulse angeben. Die Marken sind aber einen Bogen angeordnet, dessen
Mittelpunkt in der Achse der Welle 16 liegt.
In ähnlicher Weise durchdringt die Welle 19 das Gehäuse und trägt einen Betätigungsknopf 21 und einen Zeiger 22. Der letztere bewegt sich über Marken 22a, die den Prozentsatz der voreingestellten Motorbewegung anzeigen.
Die Plattenreihe 18 bildet Anschläge für die Platten 17 und erlaubt der Welle 16, sich um einen ge- gebenenBetrag zu verdrehen, bevor eine bestimmte Platte 17 mit einer Platte auf der Welle 19 in Eingriff kommt und so die Welle anhält. Eine Verdrehung des Knopfes 21 bewirkt daher, dass eine vorbestimmte
Motorbewegung ausgewählt wird, und ordnet die Platten 18 in einer gegebenen Winkelrichtung an ; die
Winkelstellung der Platten 17 ist derart, dass, nachdem die Welle sich um den gewünschten Betrag verdreht hat, diese angehalten wird.
Die Welle 19 trägt auch drei Kontaktbänke für den Auswahlschalter S 2 und die Betängungskontakte des Schalters SWS.... Eine Feder 23 und eine mechanische Falle 24 ge- währleisten, dass die Welle 19 nicht zurBetätigungdesAuswahlschaltersS verdreht werden kann, bevor er nicht gedrückt wird, um den Schalter SWS zu öffnen.
Um die Welle 16 und damit die Platten 17 in ihre ursprüngliche Nullstellung zurückzustellen, wenn die Kupplung CL1 entregt wird, speichert die Welle 16 beim Antrieb in einer spiraligen Rückstellfeder 25 Energie. Diese kommt bei Entregung von CL1 zur Wirkung und verdreht die Welle 16 entgegengesetzt zur Antriebsrichtung. Da dieKupplungsbremseCL2 entregt und mit Erde verbunden ist, wenn dieser Rückstellvorgang stattfindet, werden während dieser Periode keine Impulse erzeugt (Fig. 4).
In der Leitung, die die Nullstellung CL1, die Kupplungsbremse CL2 und den Synchronmotor erregt (Fig. 7). ist ein Kontakt des Schalters SWS-2 vorgesehen, der dazu dient, den begrenzten Impulsgenerator nur dann einzuschalten, wenn der Antriebskreis in Ruhestellung ist, d. h., wenn das Relais N (Fig. 2) entregt und die Kontakte N-6 geöffnet sind.
Die Arbeitsweise des Impulsgenerators ist wie folgt :
Am Ende eines richtigen Arbeitszyklus ist der Motor 14 entregt, die Rückstellfeder 25 belastet, die Kupplung CL1 erregt, so dass die Rückstellfeder 25 in der belasteten Stellung durch die Reibung des irreversiblen Motorgetriebekastens gehalten wird, und die Kupplungsbremse CL2 ist entregt, so dass die die
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Impulse erzeugende Scheibe 11 mit Erde verbunden ist. Um eine bestimmte Motorbewegung, z. B. ss % auszuwählen, muss der Auswahlknopf 21 gedrückt und in die Stellung ss % verdreht werden. Mit der ersten
Bewegung des Knopfes 21 wird der Rückstellvorgang bewirkt, d. h., SWS-2 wird geöffnet, so dass CL1 ent- regt wird (N-6 ist offen), was erlaubt, die Verteilerwelle durch die Rückstellfeder 25 in die Nullstellung i zu verdrehen.
Bei Erreichen der Nullstellung schliesst ein Nocken auf der Verteilerwelle 16 den Schalter SWO.
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;Wird nun der Druckknopf"Vorwärts"oder"Rückwärts"gedrückt (Fig. 2), so wird das Relais N erregt (s. unten), N-5 schliesst sich und das Relais H wird erregt. : a) H-1 schliesst sich und verriegelt das Relais H. b) H-2 schliesst sich, indem es die Kupplungsbremse CL2 und den Synchronmotor erregt. c) H-3 schliesst sich unter Erregung der Kupplung CL1.
Der photoelektrische Impulsgenerator beginnt, dem Antriebskreis Impulse zuzuführen und der Im- pulszähler beginnt zu zählen. Impulse werden auch dann erzeugt, wenn der Druckknopf losgelassen wird (ausser wenn der Auswahlknopf auf "Kriech" -Stellung steht). Der auf der Verteilerwelle 16 angeordnete
Zeiger 20 gibt die Anzeige des Prozentsatzes der zurückgelegten Bewegung und die Rückstellfeder wird belastet. Wenn der Motor die vorgeschriebene Distanz zurückgelegt hat, dann gibt der Impulszähler das "Halt"-Signal ; das Relais N entregt sich (s. unten), N-5 öffnet sich und Relais H entregt sich. a) H-1 öffnet sich und entriegelt Relais H. b) H-2 öffnet sich, indem es die Kupplung CL2 und den Synchronmotor entregt. c) H-3 öffnet sich, ist jedoch unwirksam (N-4 ist geschlossen) ; Kupplung CL1 bleibt erregt und die
Rückstellfeder bleibt belastet.
Auf diese Weise wird ein Zyklus vervollständigt.
Wenn die Bedienungsperson den Prozentsatz der früher durch den Auswahlknopf 21 ausgewählten Be- wegung nicht ändern will, so wird der neue Zyklus einfacher, da die Rückstelloperation in diesem Falle automatisch durchgeführt wird, sobald einer der Druckknöpfe gedrückt wird, gerade bevor dem Motor das
Startsignal gegeben wird (Kontakt N-4 öffnet sich als Folge der Betätigung des Druckknopfes).
Sollte der Kreis kein Haltesignal geben, so gibt einer der Schalter SW1, SW2, SW3. SW4, der durch denAuswahlschalter S2 während der Betätigung des Auswahlknopfes ausgewählt ist, das Haltesignal. Wenn der Kreis trotzdem nicht unterbrochen wird, so ist eine mechanische Unterbrechung vorgesehen (Fig. 5), wodurch die Impulserzeugung nach einem kleinen Überlauf beendet wird. Die Betätigung eines jeden der oben erwähnten Schalter schaltet automatisch die Warnlampe L am Vorderteil der Einheit an.
Die Verwendung des oben beschriebenen, begrenzten Impulsgenerators hat die folgenden Vorteile : a) Die Zahl der erzeugten Impulse ist begrenzt. Sogar bei"kriechender"Steuerung kann sich der ausgewählte Motor nicht über eine Distanz hinaus bewegen, die mehr als 1000 der im Impulsgenerator gespeicherten Impulse entspricht. b) Die genaue Zahl der erzeugten Impulse ist nicht so kritisch, da die Genauigkeit durch den Im- pulszähler gegeben wird, der die Schrittzahl zählt, die vom ausgewählten Motor zurückgelegt wird. In andern Worten, gibt der Impulszähler die Genauigkeit und der begrenzte Impulsgenerator gewährleistet die Sicherheit. c) Die Rückstellung des Impulsgenerators wird in einfacher Weise wie oben beschrieben bewirkt. ohne dass Impulse erzeugt werden. d) Die Betätigung des Impulsgenerators ist besonders.
Auswahl einer vorbestimmten Vorwärtsbewegung und Halt
I. Auswahl der vorbestimmten Bewegung 1) Auswahlknopf wird gedrückt a) SWS-1 unterbricht eine Leitung im Bremskreis, ST wird entregt ; ST-2 öffnet den Eingang des Hal- teverriegelungskreises und der Antriebskreis wird unterbrochen, wenn er betätigt war.. b) SWS-2 öffnet sich ; CL-1 entregt sich, nachdem N-6 geöffnet hat (Antriebskreis in Ruhelage) und der begrenzte Impulsgenerator wird zurückgestellt (s. oben).
2) Der Auswahlknopf wird auf eine vorbestimmte Bewegung eingestellt, z. B. auf solo. a) Die 8Ufo-Platte wird in eine Lage gebracht, so dass sie als mechanischer Anschlag nach einem Rotationsbetrag der Verteilerwelle entsprechend der Bewegung 8Ufo wirkt.
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b) Das Auswählorgan S. wird in die 8%-Lage gebracht, so dass co der Schalter SW3 mittels der Bank 1 und Bank 3 ausgewählt wird, B) die 3%-Lage am Impulszählermittels der Bank 2 ausgewählt wird.
II. Vorwärts 1) Der-Druckknopf Vorwärts wird gedrückt. Das Relais F wird erregt. a) Die Kontakte F-1 und F-2 schliessen sich, wodurch die Ausgänge 2 bzw. 3 des Vorverstärkers an den Eingang b bzw.c des Leistungsverstärkers angeschlossen werden. Der Kontakt F-4 öffnet sich und macht dieRelaisleitungR unwirksam. Der Kontakt F-5 öffnet die Leitung des Relais RS. Der Kontakt RS-1 verbindet sich mit Erde und gestattet es dem Impulszähler zu zählen. Der Kontakt F-3 schliesst sich im
Ruheverriegelungskreis und das Relais N wird erregt. c) N-1 schliesst sich im ternären Ringkreis... (s. die Beschreibung des ternären Ringkreises).
B) N-2 ein Sperrkontakt für das Relais F sperrt weiter. y) N-3 schliesst das Relais R - kein Resultat.
6) N-4 öffnet sich; die Kupplung CH des begrenzten Impulsgenerators wird entregt, der begrenzte
Impulsgenerator zurückgestellt... (s. die obige Beschreibung des begrenzten Impulsgenerators). e) N-5 schliesst die Leitungdes Relais H im begrenzten Impulsgenerator. Der begrenzte Impulsgenera- tor beginnt Impulse zuzufUhren... (s. die obige Beschreibung des begrenzten Impulsgenerators) S) N-6 schliesst sich und macht SWS-2 im begrenzten Impulsgenerator unwirksam.
Wenn der Auswahlknopf des begrenzten Impulsgenerators auf "kriechen" steht, so muss die Bedie- nungsperson ihren Finger so lange auf dem Knopf halten, solange der Motor laufen soll, andernfalls wird der Ruheverriegelungskreis von der Spannungsquelle von-16V getrennt und der Motor bleibt stehen.
III. Ruhe
Es gibt zwei Arten von Anhaltvorgängen. Ein Anhalten auf Grund der normalen Arbeitsvorgänge und ein Anhalten auf Grund eines Versagens eines Kreises.
1) Anhalten auf Grund der normalen Arbeitsvorgänge. a) Durch Betätigung des Impulszählers. b) Durch Unterbrechung einer Leitung des Anhaltkreises auf drei Arten : cl Drücken des Haltedruckknopfes.
B) Drücken des Kontaktes CO-1 des Auswählorgans S. y) Drücken des Auswählknopfes im Kontakt SWS-1 des begrenzten Impulsgenerators.
Dadurch wird das Relais ST entregt, ST-1 öffnet sich und unterbricht die Leitung im Bremskreis und verhindert so jegliche Möglichkeit einer Wiedererregung des Relais ST ohne Rückstellung.
DerKontaktST-2 öffnet den Ruheverriegelungskreis ; das Relais N entregt sich, sobald der Transistor T3 im ternären Ringkreis in Sättigung ist. N-l öffnet sich und unterbricht durch Umschaltenden ternären Ringkreis. Der Antriebskreis ist unterbrochen.
Kontakte N-2 und N-3 sind offen ; Relais F (oder R) ist entregt.
F-l Öffnen, indem sie die Ausgänge 2 und 3 des Vorver- F-2 starkers vom Eingang b und c des Leistungsverstärkers trennen,
F-3 öffnet den Ruheverriegelungskreis - kein Ergebnis,
F-4 schliesst die Leitung des Relais R und bereitet diese Leitung für die Betätigung vor,
F-5 öffnet das Relais RS.
Der Kontakt RS-1 stellt den Impulszähler im Bremskreis und das Relais ST zurück.
Der Kontakt N-4 sperrt und verriegelt d'ie Spule CL1 im begrenzten Impulsgenerator.
Der Kontakt N-5 öffnet sich und entregt das Relais H im begrenzten Impulsgenerator. Der begrenzte Impulsgenerator bleibt stehen (s. oben ...).
2) Anhalten auf Grund des Versagens eines Kreises.
Der ausgewählte Grenzschalter im begrenzten ImpuIsgenerator e. g. SW3 trennt den Eingang des Ruhe- verriegelungskreises-von der Spannungswelle von -16V. Der Antriebskreis ist unterbrochen und der Arbeitsvorgang wird wie oben fortgesetzt.
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