DE10302004B4

DE10302004B4 - Schaltungsanordnung zur Ableitung drehrichtungsbezogener Ausgangssignale aus Encodereinrichtung mit zwei um einen Winkelbetrag versetzten Einzelencodern

Info

Publication number: DE10302004B4
Application number: DE2003102004
Authority: DE
Inventors: Siegfried Möller
Original assignee: BDT Buero und Datentechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Maxim Integrated Products Inc
Priority date: 2003-01-21
Filing date: 2003-01-21
Publication date: 2005-04-07
Anticipated expiration: 2023-01-22
Also published as: DE10302004A1

Abstract

Schaltungsanordnung zur Erhöhung der maximalen Schrittfrequenz bei eigentaktierten Schrittmotoren mit zwei separaten Encodersystemen (1A, 1B), wobei jedes der Encodersysteme (1A, 1B) zwei logische Ausgangssignale (U_{ENCA_R}, U_{ENCA_L}; U_{ENCB_R}, U_{ENCB_L}) zur Ableitung der Ansteuersignale (U_MOT) der Motorwicklungen erzeugt, wobei die Ausgangssignale (U_{ENCA_R}, U_{ENCA_L}) des ersten Encodersystemes (1A) gegenüber den Ausgangssignalen (U_{ENCB_R}, U_{ENCB_L}) des zweiten Encodersystems (1B) um 90° in der Phase verschoben sind, wobei die Ausgangssignale (U_{ENCA_R}, U_{ENCA_L}; U_{ENCB_R}, U_{ENC_L}) eines jeweiligen Encodersystems (1A; 1B) gegenüber dem Polradwinkel (φ_opt) des Schrittmotors um einen definierten Winkelbetrag (φ₁) in der Phase versetzt sind, wobei bei gleicher Drehrichtung des Schrittmotors eines der beiden Ausgangssignale (U_{ENCA_L}, U_{ENCB_L}) um den Winkel (φ₁) gegenüber dem Polradwinkel (φ_opt) des Schrittmotors voreilt und das andere der beiden Ausgangssigale (U_{ENCA_R}, U_{ENCB_R}) um den gleichen Winkelbetrag (φ₁) nacheilt, wobei jeweils die phasengleichen, jedoch um den definierten Winkelbetrag (φ₁) in der Phase versetzten Ausgangssignale (U_{ENCA_R}, U_{ENCA_L}; U_{ENCB_R}, U_{ENCB_L}) über je einen Additionswiderstand...

Description

Anwendungsgebiet
Die Schaltungsanordnung bezieht sich auf lineare und drehende Antriebe, die zur Steuerung der Antriebselemente Encodereinrichtungen benutzen, die insbesondere zu den Magnetpolen der Antriebselemente exakt justiert sein müssen und bei denen für beide Bewegungsrichtungen funktionell optimale Ausgangssignale der Encodereinrichtung erforderlich sind.
Wesen der Erfindung
Einer Encodereinrichtung, die zu den Magnetpolen eines elektromagnetischen Antriebselements zur Gewährleistung einer gleichberechtigten Vorwärts- und Rückwärtsbewegung geometrisch exakt zugeordnet ist, bestehend aus zwei Einzelencodern, wobei jeder Einzelencoder gegenüber der optimalen Zuordnung zu den Magnetpolen des Antriebselements um einen definierten Winkelbetrag versetzt angeordnet ist, wobei ein Einzelencoder gegenüber der optimalen Zuordnung vor- und der andere Encoder nacheilt, ist eine Schaltungsanordnung nachgeschaltet, die ohne Zuhilfenahme eines gesonderten Richtungssignals ein Summensignal aus den beiden Einzelencodern bildet, das in Verbindung mit einem Komparator mit einer definierten Hysterese aus den phasenmäßig verschobenen Ausgangssignalen der beiden Einzelencodern jeweils das Signal ableitet, das drehrichtungsbezogen der optimalen Zuordnung zu den Mägnetpolen des Antriebselements voreilt.

Es sind Schaltungseinrichtungen bekannt, die aus einer Encodereinrichtung, die geometrisch optimal zu den Magnetpolen zugeordnet ist und einen gleichberechtigten Rechts- Linkslauf gewährleisten, in Abhängigkeit der Bewegungsgeschwindigkeit bzw. der Drehzahl eines encodergesteuerten Motors Encodersignale ableiten, die drehrichtungsunabhängig der optimalen Zuordnung zu den Magnetpolen voreilen, um die Verzögerung der elektromechanischen Wirkung gegenüber dem Zeitfenster der logischen Ansteuerung zu kompensieren.

In der Patentschrift DD 201 554 sind als Patentanspruch eine Schaltungsanordnung beschrieben und im Stand der Technik ein weiteres Verfahren benannt, die basierend auf sinusförmigen Encodersignalen logische Encoderausgangssignale erzeugen, deren Flanken frequenzabhängig den Nulldurchgängen der sinusförmigen Encodersignalen vorauseilen.

Bei niedrigen Frequenzen der sinusförmigen Encodersignalen fallen die Flanken der logischen Ausgangssignalen der Encodereinrichtung etwa mit den Nulldurchgängen der Sinussignale zusammen, je höher die Frequenz der Sinussignale wird, desto mehr eilen die logischen Ausgangssignale den Nulldurchgängen der Sinussignale voraus.

Nachteilig an diesen Verfahren ist, dass oberwellenfreie Sinussignale erzeugt werden müssen, da durch Oberwellen die gewünschte negative Phasenverschiebung nachteilig verfälscht wird. Weiterhin ist nachteilig, dass die negative Phasenverschiebung erst mit Zunahme der Frequenz wirksam ist, und bei niedrigen Freuqenzen keine Phasenverschiebung erfolgt, und der Betrag der erzielbaren negativen Phasenverschiebung begrenzt ist.

In der Patentschrift DD 272 174 A1 ist eine weitere Schaltungsanordnung beschrieben, die ebenfalls eine frequenzabhängige negative Phasenverschiebung bewirkt, jedoch keine sinusförmigen Encodersignale voraussetzt. In diesem Verfahren werden die Ausgangssignale eines Fototransistors direkt genutzt, die zwischen einem hohen und einem niedrigen Pegel wechseln. Die optische Encodereinrichtung ist dabei so gestaltet, dass die Pegelwechsel nicht extrem steil erfolgen, sondern die Signalflanken mit einem weichen Wechsel beginnen, ehe die Signalflanke dann steil den Mittelwert zwischen dem hohen und dem niedrigen Pegel passiert.

Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass dieses Verfahren nur geeignet ist, basierend auf den direkten Ausgangssignalen einer optischen Encodereinrichtung geringe negative frequenzabhängige Phasenverschiebungen zu erzeugen.

Diese geringen negativen Phasenverschiebungen, die in einem Bereich von 50 bis 100 Mikrosekunden liegen, sind nur geeignet, um die Programmlaufzeiten im Mikroprozessor zu kompensieren.

Ziel der Erfindung

Als wesentliche Nachteile entsprechend des Standes der Technik sind:

– Notwendigkeit von oberwellenfreien Encoderausgangssignalen
– Begrenzung des maximalen möglichen Bereiches der negativen Phasenverschiebung
– Wirksamkeit der negativen Phasenverschiebung erst mit Zunahme der Encoderfrequenz

Ziel der Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu vermeiden und frequenzunabhängig eine definierte drehrichtungabhängige negative Phasenverschiebung zu erzeugen, wobei der Betrag der negativen Phasenverschiebung keinen Grenzen unterliegt.

Ausführungsbeispiel
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:
1 Logische Ansteuersignale zur Ansteuerung einer Motorwicklung in Verbindung mit dem realen Stromfluß in den Motorwicklungen.
a) Ansteuerung mit einer relativ niedrigen Ansteuerfrequenz
b) Ansteuerung mit einer relativ hohen Ansteuerfrequenz
c) Ansteuerung mit einer relativ hohen Ansteuerfrequenz, jedoch mit einem gegenüber der Encoderinformation voreilenden logischen Ansteuersignal
2 Darstellung der Phasenverschiebung der Einzelsignale gegenüber dem Polradwinkel des Schrittmotors für den Rechts- und Linkslauf
3 Schaltungsstruktur zur Generierung des drehrichtungsbezogenen Encodersignals entsprechend der erfindungsgemäßen Lösung
4 Signalabläufe und Schaltschwellen entsprechend der erfindungsgemäßen Lösung nach 3
5 Schaltungsvarianten zur Erzeugung der Potentialschwelle
a) Schaltungsvarianten mit Dioden
b) Schaltungsvarianten mit Zenerdioden
Für den Antrieb eines Belegtransportes in einer Belegzuführeinrichtung für einen Printer bzw. Kopierer werden Schrittmotoren eingesetzt, um lastunabhängig eine konstante Belegtransportgeschwindigkeit zu gewährleisten.
Da die Belegtransporteinrichtung für schnelle Printeinrichtungen und Kopierer extrem schnell gestartet und gestoppt werden muß, die Belastung durch unterschiedliche Beleggrößen und Beleggewichte stark variieren kann und hohe Belegtransportgeschwindigkeiten in einem Bereich von 1 bis 2 m/s gefordert sind, wurde auf den Einsatz eines encodergesteuerten Schrittmotors orientiert. Das gewählte Steuerprinzip erfordert einen Encoder auf der Rotorachse des Schrittmotors, der zwei um 90° in der Phase symmetrische Encodersignale erzeugt, wobei die Anzahl der Perioden eines Encodersignales einem Viertel der Schrittzahl des Schrittmotors pro Umdrehung beträgt, so zum Polradwinkel des Schrittmotors justiert ist, dass bei direkter Nutzung der Encodersignale als Ansteuersignale für die Motortreiberschaltkreise der Motor sein maximales Moment erzeugt. Zur Drehrichtungsumkehr werden den Motortreiberschaltkreisen die invertierten Encodersignale zugeführt.
Das Steuerverfahren selbst zur Gewährleistung konstanter Schrittfrequenzen und das Bremsen sind nicht Gegenstand der Erfindung und sollen hier nicht näher erörtert werden.
In der konkreten Aufgabenstellung wurde ein Schrittmotor mit einem Schrittwinkel von 5° ausgewählt, der ohne Encodereinrichtung bis zu einer Schrittfrequenz von 5 KHz betrieben werden kann, bei der Steuerung mit einer beschriebenen Encodereinrichtung jedoch nur etwa 3 KHz erreicht. Das geforderte Antriebskonzept erfordert eine Schrittfrequenz von 3 KHz, wobei eine ausreichende Momentreserve gewährleistet sein muß.
Dieser Schrittmotor ist in zwei verschiedenen Varianten erhältlich.
Die Standardausführung besitzt je Wicklungssystem zwei Spulen, die seriell geschaltet sind und eine Sonderausführung, bei der die beiden Spulen intern im Motor parallel geschaltet sind.
Die Standardausführung mit der seriellen Wicklungsanordnung hat den Vorteil, dass ein Wicklungsstrom von ca. 0,8 A ausreicht, um das erforderliche Moment von 10 Ncm zu erreichen. Nachteilig ist jedoch, dass mit dieser Motorausführung als Grenzfrequenz nur etwa 3 KHz aufgrund der relativ hohen Induktivität erreichbar ist.
Bei der Sonderausführung, bei der die Einzelspulen einer Motorwicklung parallel angeordnet sind, ist nur die halbe Wicklungsinduktivität für die Stromanstiegszeit t_r und die Stromausräumzeit t_f wirksam, wodurch sich der Phasenwinkel φ_v zwischen der logischen Ansteuerung einer Motorwicklung und der elektromagnetischen Wirkung nicht so nachteilig auswirkt wie bei der doppelten Wicklungsinduktivität.
Mit diesem Motor sind maximale Schrittfrequenzen bis 5 KHz erreichbar, so dass die geforderte Schrittfrequenz von 3 KHz mit hinreichender Momentreserve erreichbar ist.
Nachteilig beim Einsatz der Sonderausführung mit der parallelen Spulenanordnung ist, dass zum Erreichen des gleichen Motormomentes der doppelte Spulenstrom erforderlich ist.
Der notwendige doppelte Spulenstrom hat nachteiligen Einfluß auf die Motortreiberschaltkreise und die Leistungsbereitstellung durch das Netzteil.
Es war die Aufgabe, eine Ansteuerlösung zu finden, bei der der Standardmotor mit der seriellen Wicklungsanordnung und einem Wicklungsstrom von 0,8 A zum Einsatz gelangen kann, die erreichbare maximale Schrittfrequenz jedoch in einem Bereich von 4 bis 5 KHz liegt, damit beim Betrieb mit 3 KHz eine ausreichende Funktionssicherheit gegeben ist.
Die Ursache für die Begrenzung der Schrittfrequenz beim Betrieb mit einem Encoder ohne gesonderte Signalbehandlung ist in 1 dargestellt.
In 1a) sind die Signalverläufe für eine relativ lange Ansteuerzeit t₁ einer Motorwicklung dargestellt.
Das Signal U_ENC stellt das Encodersignal direkt dar. Das Signal U_ENC wird einem Mikroprozessor zugeführt, der drehrichtungskonfiguriert das Signal U_MOT zur Ansteuerung der Motorendstufen erzeugt.
Durch die Programmlaufzeiten und die Interruptroutinen entsteht bereits durch den Mikroprozessor eine Signalverzögerungszeit t_v.
Der Stromverlauf I_MOT läßt erkennen, dass der vorgegebene Strompegel erst nach einer Stromanstiegszeit t_r erreicht wird. Mit dem Abschalten des Stromes in den Motorwicklungen wird der Strom nicht sofort zu Null, sondern erst nach einer Stromausräumzeit t_f ist der Strom auf Null abgeklungen.
Durch die Programmlaufzeiten und insbesondere durch die Stromanstiegszeiten t_r und die Stromausräumzeiten t_f kommt es zum Nacheilen der elektromagnetischen Wirkung gegenüber der logischen Ansteuerung.
In 1b) sind die Signalverhältnisse und der Stromverlauf in einer Motorwicklung für eine relativ kurze Ansteuerzeit t₂ dargestellt. In diesem Fall beträgt die Ansteuerzeit t₂ etwa der Summe der Stromanstiegszeit t_r und der Stromausräumzeit t_f.
Es ist hier deutlich ersichtlich, dass das Maximum der elektromagnetischen Wirkung um den Winkel φ_v der Mitte der logischen Ansteuerzeit nacheilt.
Mit zunehmender Schrittfrequenz nehmen die Stromflußdauer und der Mittelwert der Stromamplitude ab, und durch die zunehmende Phasenverschiebung φ_v der elektromagnetischen Wirkung zum Polradwinkel des Schrittmotors nimmt das Motormoment ab, was schließlich die maximal erreichbare Schrittfrequenz begrenzt.
In 1c) sind die Signalabläufe dargestellt, die erreicht werden müssen, um die nachteilige Phasenverschiebung φ_v zu kompensieren.
Dazu ist es notwendig, dass aus der Encodereinrichtung logische Ansteuerspannungen U_MOT für die Motorenstufen ableitbar sind, die dem Polradwinkel des Schrittmotors um den Winkel φ₁ vorauseilen, damit das Maximum der elektromagnetischen Wirkung mit dem Polradwinkel des Schrittmotors zusammen fällt.
In 2 sind die Encodersignale (U_{ENCA_R}, U_{ENCA_L}, U_{ENCB_R}, U_{ENCB_L}) dargestellt, die notwendig sind, um drehrichtungsneutral die Encodersignale U_{ENCA_RL} und U_{ENCB_RL} ableiten zu können. Es ist ersichtlich, dass es je Kanal A und Kanal B je zwei Einzelencoder gibt, die gegenüber dem Polradwinkel des Schrittmotors, der mit φ_opt. gekennzeichnet ist, um den Winkelbetrag φ₁ versetzt angeordnet sind, wobei z.B das Encodersignal U_{ENCA_R} dem Polradwinkel φ_opt. vorauseilt und das Encodersignal U_{ENCA_L} dem Polradwinkel φ_opt. nacheilt.
In 3 ist die Schaltungsstruktur der Encodereinrichtung 1_A und die Schaltungsstruktur 2_A der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur drehrichtungsabhängigen Ableitung des Ausgangsencodersignals U_{ENCA_RL} aus dem Einzelsignalen U_{ENCA_R} Und U_{ENCA_L} dargestellt. Die nicht im Detail dargestellte Encodereinrichtung 1_B entspricht der Encodereinrichtung 1_A . Der nicht im Detail dargestellte Schaltungskomplex 2_B entspricht der Schaltungsanordnung 2_A . Der optische Gabelkoppler GKR ist so innerhalb der Encodereinrichtung zum Polradwinkel φ_opt. angeordnet, dass das Ausgangssignal U_{ENCA_R} dem Polradwinkel φ_opt. beim Rechtslauf des Motors um den Phasenwinkel φ₁ voreilt, und der optische Gabelkoppler GKL ist innerhalb der Encodereinrichtung so angeordnet, dass das Ausgangssignal U_{ENCA_L} beim Linkslauf des Motors gegenüber dem Polradwinkel φ_opt um den gleichen Phasenwinkel φ₁ voreilt.
In 2 sind die Signalabläufe für die Signale U_{ENCA_R}, U_{ENCA_L}, U_{ENCB_R} und U_{ENCB_L} dargestellt.
Es ist die Aufgabe der in 3 dargestellten Schaltungsanordnung 2_A , das Ausgangssignal U_{ENCA_RL} so aus den beiden Einzelsignalen U_{ENCA_R} Und U_{ENCA_L} abzuleiten, dass beim Rechtslauf des Motors das Ausgangssignal U_{ENCA_RL} dem Signal U_{ENCA_R} und beim Linkslauf des Motors das Ausgangssignal U_{ENCA_RL} dem Signal U_{ENCA_L} entspricht. Dazu ist es notwendig, dass jeweils das zuerst wechselnde Signal U_{ENCA_R} bzw U_{ENCA_L} das Schalten des Ausgangssignals U_{ENCA_RL} bewirkt.
Dazu sind die beiden Signale U_{ENCA_R} Und U_{ENCA_L} über die Additionswiderstände R_{ADD_R} und R_{ADD_L} verbunden und bilden die Summenspannung U_{ENCA_ADD}.
Bei der Bewegung des Encoders folgen die Wechsel der Signale U_{ENCA_R} und U_{ENCA_L} nacheinander, so dass die Summenspannung U_{ENCA_ADD} stets zwischen einem hohen und einem niedrigen Pegel zunächst einen Zwischenpegel einnimmt, der etwa der halben Differenz zwischen dem hohen und dem niedrigen Pegel der Signale U_{ENCA_R} bzw. U_{ENCA_L} entspricht.
Die Schaltung 2_A bewirkt nun über den Spannungsteiler R_T1, R_T2, dass die Referenzspannung U_ref gebildet wird, die der Summenspannung U_{ENCA_ADD} entspricht, wenn eines der Signale U_{ENCA_R} bzw. U_{ENCA_L} einen hohen Pegel und das entsprechend andere Signal einen niedrigen Pegel hat.
Zur Bildung des Ausgangssignals U_{ENCA_RL} wird die Summenspannung U_{ENCA_ADD} über einen Widerstand R_H2 an den nichtnegierenden Eingang e+ geführt und bildet die Eingangsspannung U_e+.
Der Widerstand R_H2 hat dabei in Verbindung mit R_H1 und den Komponenten zur Bildung einer stromflußfreien Potentialschwelle PS die Funktion der Bildung einer Schalthysterese des Komparators COMP_A.
Die stromflußfreie Potentialschwelle PS bewirkt, dass die Schalthysterese nur wirksam ist, wenn das Summensignal U_{ENC_ADD} den Zwischenpegel einnimmt.
In 5 sind Schaltungsvarianten zur Bildung der stromflußfreien Potentialschwelle PS aufgezeigt. In 5a) sind Schaltungsvarianten dargestellt, bei denen Dioden antiparallel als Einzelpaare oder mehrere Paare in Reihe geschaltete sind, je nachdem, welche Potentialschwelle erreicht werden soll.
In 5b) sind zwei Schaltungsvarianten dargestellt, bei denen Zenerdioden so in Reihe geschaltet sind, dass entweder beide Anoden oder beide Kathoden verbunden sind, so dass für beide Flußrichtungen die entsprechende Zenerspannung der einen Zenerdiode D_Z in Reihe mit der Flußspannung in Durchlaßrichtung der anderen Zenerdiode D_Z als Potentialschwelle wirksam ist. Die Potentialschwelle PS kann für den Low Pegel und den High Pegel durch eine Anordnung unterschiedlicher Anzahlen von Dioden bzw. unterschiedlichen Zenerspannungen der Zenerdioden unterschiedlich groß sein.
Über einen weiteren Spannungsteiler R₁ und R₂, der zwischen die Summenspannung U_{ENCA_ADA} und der Referenzspannung U_ref geschaltet ist, wird das Signal U_e– gebildet, das mit dem negierenden Eingang e– des Komparators COMP_A verbunden ist. Zur Verzögerung des Signals U_e– gegenüber den Schaltflanken des Summensignals U_{ENCA_ADD} ist zwischen dem negierenden Eingang Bund GND ein Kondensator C geschaltet.
Die Signalabläufe der Schaltung sind aus 4 ersichtlich. Die Zeile 4a) zeigt die Signale U_{ENCX_R} und U_{ENCX_L} mit der Phasenverschiebung φ₁ gegenüber dem Polradwinkel φ_opt des Schrittmotors.
Die Zeile 4b) zeigt den Verlauf des Summensignals U_{ENCX_ADD} sowohl für den Rechts- wie für den Linkslauf.
In Zeile 4c) sind die Eingangsspannungen des Komparators U_e+ und U_e– ebenfalls für den Rechts- und Linkslauf dargestellt.
Während das Signal U_e+ den gleichen hohen Pegel U_HH einnimmt, wie das Summensignal U_{ENCX_ADD}, wenn das Summensignal U_{ENCA_ADD} einen hohen Pegel hat und das Signal U_e+ den gleichen niedrigen Pegel hat, wenn das Summensignal U_{ENCX_ADD} ebenfalls einen niedrigen Pegel hat, nimmt das Signal U_e+ gegenüber dem Summensignal U_{ENCX_ADD} einen höheren Pegel U_CLH ein, wenn das Summensignal U_{ENCX_ADD} vom niedrigen Pegel zum Zwischenpegel U_LH wechselt, und das Signal U_e+ nimmt einen niedrigeren Pegel U_CHL als das Summensignal U_{ENCX_ADD} ein, wenn das Summensignal U_{ENCX_ADD} vom hohen Pegel U_HH zum Zwischenpegel U_LH wechselt.
Ursache dafür ist die Wirkung der stromflußfreien Potentialschwelle PS, die die Schalthysterese nur erzeugt, wenn die Summenspannung U_{ENC_ADD} und die Ausgangsspannung U_{ENCA_RL} unterschiedliche Pegel haben. Haben die Summenspannung U_{ENCA_ADD} und die Ausgangsspannung U_{ENCA_RL} gleiche Pegel high oder low, so wird keine Schalthysterese erzeugt, und das Signal U_e+ folgt ohne jede Beeinflussung der Summenspannung U_{ENCA_ADD}.
Das Signal U_e–, das schließlich die jeweils wirksame Komparatorschwelle bestimmt, wird über den Spannungsteiler R₁ und R₂ zwischen der Summenspannung U_{ENCA_ADD} und der Referenzspannung U_ref abgeleitet.
Während die Referenzspannung U_ref als konstante Spannung gilt, die durch den Spannungsteiler R_T1 und R_T2 zwischen der Betriebsspannung +5V und GND gebildet wird und der Summenspannung U_{ENCA_ADD} entspricht, wenn eines der Signale U_{ENCA_R} bzw. U_{ENCA_L} einen hohen und das entsprechend andere Signal einen niedrigen Pegel hat, wechselt die Summenspannung U_{ENCA_ADD} in der in 4b) dargestellten Weise.
Nimmt die Summenspannung U_{ENCA_ADD} den Zwischenpegel U_LH ein, so entspricht die Komparatorspannung U_e– ebenfalls dem Zwischenpegel U_LH.
Hat die Summenspannung U_{ENCA_ADD} einen niedrigen Pegel, so stellt sich für die Komparatorspannung U_e– der Pegel U_CLL ein, der höher ist als der Pegel U_LL, jedoch niedriger als der Zwischenpegel U_LH. In diesem Fall ist die Ausgangsspannung U_{ENCA_RL} des Komparators COMP_A low, da U_e+ höher als U_e– ist.
Wechselt die Summenspannung U_{ENCA_ADD} vom niedrigen Pegel zum Zwischenpegel, so wird U_e+ zunächst höher als U_e–, da das Signal U_e– durch die Wirkung des Kondensators C am negierenden Eingang e– des Komparators COMP_A zunächst auf dem Pegel U_CLL gehalten wird, während das Signal U_e+ den Pegel U_CLL überschreitet. Durch die Wirkung der hysteresebildenden Widerstände R_H2 und R_H1 in Verbindung mit der Potentialschwelle (PS) nimmt das Signal U_e+ nach einem Wechsel der Summenspannung U_{ENCA_ADD} vom niedrigen zum Zwischenpegel den Pegel U_CLH ein, der höher ist als der Zwischenpegel U_LH, den das Signal U_e– nach der verzögernden Wirkung des Kondensators C einnimmt.
Durch den Wechsel von U_e+, das zunächst niedriger als U_e– war und nun höher als U_e– ist, wechselt ebenfalls das Ausgangssignal U_{ENCA_RL} des Komparators CPMP_A von low zu high. Die Signalfolge von U_{ENCX_R} ist in 4d) dargestellt.
Beim weiteren Wechsel des Summensignals U_{ENCA_ADD} vom Zwischenpegel U_LH zum Pegel U_HH ist die Eingangsspannung U_e+ am nichtnegierenden Eingang e+ des Komparators COMP_A stets höher als U_e– am negierenden Eingang des Komparators COMP_A. Dadurch bleibt auch die Ausgangsspannung U_{ENCA_RL} solange auf hohem Pegel, bis die Summenspannung U_{ENCA_ADD} vom hohen Pegel U_HH zur Zwischenspannung U_LH wechselt. Steht die Summenspannung U_{ENCA_ADD} auf hohem Pegel U_HH, so nimmt die Komparatorspannung U_e– am negierenden Eingang e– des Komparators COMP_A den Pegel U_CHH ein, der niedriger als U_HH, jedoch höher als U_LH ist.
Beim Wechsel des Summensignals U_{ENCA_ADD} vom hohen Pegel U_HH zum Zwischenpegel U_LH nimmt die Spannung U_e+ zunächst einen niedrigeren Pegel als U_e– ein, da der Pegelwechsel von U_e– durch die Wirkung des Kondensators C verzögert wird.
Durch den Wechsel, dass U_e+ nun niedriger als U_e– ist, wechselt ebenfalls der Pegel des Ausgangssignals U_{ENCA_RL} des Komparators COMP_A von high zu low.
Durch die hysteresebildenden Widerstände R_H2 und R_H1 in Verbindung mit der Potentialschwelle PS nimmt die Spannung U_e+ nun einen niedrigeren Pegel als die Zwischenspannung U_LH ein, so dass gewährleistet ist, dass die Ausgangsspannung U_{ENCA_RL} erst dann wieder von low nach high wechselt, wenn entweder die Summenspannung U_{ENCA_ADD} vom Zwischenpegel U_LH nach U_HH oder vom niedrigen Pegel U_LL zu U_LH wechselt.
Die entsprechenden Signalabläufe sind in 4 sowohl für den Rechts- wie auch für den Linkslauf des Motors dargestellt.
Durch die dargestellten Signalabläufe ist gewährleistet, dass aus den Encodersiganlen U_{ENCA_R}, U_{ENCA_L}, U_{ENCB_R}, U_{ENCB_L} stets die Signale zur Bildung der Ausgangssignale U_{ENCA_RL} bzw. U_{ENCB_RL} genutzt werden, die drehrichtungsbezogen dem Polradwinkel φ_opt um den Winkel φ₁ vorauseilen.
Durch die dargestellte Anordnung der Einzelencoder der Encodereinrichtung in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Schaltung konnte erreicht werden, dass sich die maximale Grenzfrequenz, das heißt beim lastfreien Betrieb des eigentaktierten Schrittmotors, mit serieller Spulenanordnung der Motorwicklungen gleichberechtigt für beide Drehrichtungen bei einem φ₁ = 0,5° auf 3,90 KHz und bei einem Phasenwinkel φ₁ = 1,0° auf 4,10 KHz erhöhte, so dass dieser Motor nun mit einer hinreichenden Momentreserve von 4 Ncm bei 3 KHz mit einem Wicklungsstrom von 0,8 A und einem φ₁ von 1,0° betrieben werden kann.

1_A: Encodereinrichtung zur Erzeugung der drehrichtungsabhängigen Encodersignale
: U_{ENCA_R} und U_{ENCA_L}
1_B: Encodereinrichtung zur Erzeugung der drehrichtungsabhängigen Encodersignale
: U_{ENCB_R}und U_{ENCB_L}
2_A: Erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur drehrichtungsabhängigen Ableitung
: des Ausgangsencodersignals U_{ENCA_RL} aus den Einzelsignalen U_{ENCA_R} und
: U_{ENCA_L}
2_B: Erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur drehrichtungsabhängigen Ableitung
: des Ausgangsencodersignals U_{ENCB_RL} aus den Einzelsignalen U_{ENCB_R} und
: U_{ENCB_L}
C: Kondensator zur Verzögerung der variablen Komparatorspannung U_e–
: gegenüber der Summenspannung UENC_ADD
COMP_A: Komparator für den Motoransteuerkanal A
COMP_B: Komparator für den Motoransteuerkanal B
D: Diode
D_Z: Zenerdiode
e+: Nichtnegierender Eingang des Komparators COMP_A (COMP_B)
e–: Negierender Eingang des Komparators COMP_A (COMP_B)
GKR: Optischer Gabelkoppler zur Erzeugung des Encodersignals U_{ENC_R}
GKL: Optischer Gabelkoppler zur Erzeugung des Encodersignals U_{ENC_L}
GND: Bezugspotential (0V) für die Betriebsspannung +5V
I_MOT: Stromverlauf in der angesteuerten Motorwicklung
φ: Winkel, allgemein
φ₁: Phasenwinkel, um den das logische Ansteuersignal U_MOT zur Ansteuerung der
: Motorendstufen gegenüber den Encodersignalen voreilen muß, damit die
: elektromagnetische Wirkung des Stromes in den Motorwicklungen zum
: Polradwinkel φ_opt des Motors optimal ist.
φ_opt: Optimale Zuordnung der Encodereinrichtung zum Polradwinkel des Motors zur
: Gewährleistung eines gleichberechtigten Rechts- und Linkslaufes wenn nur
: eine gemeinsame Encodereinrichtung für den Rechts- und Linkslauf vorhanden ist.
φ_v: Phasenwinkel, um den die elektromagnetische Wirkung der logischen Ansteuerung nacheilt.
PS: Potentialschwelle
R_a: Lastwiderstand am Ausgangssignal U_{ENCA_RL} für den Komparator COMP_A
R_{ADD_R}: Additionswiderstand des Encodersignals U_{ENC_R} für den Rechtslauf zum
: Summensignal U_{ENC_ADD}
R_{ADD_L}: Additionswiderstand des Encodersignals U_{ENC_L} für den Linkslauf zum
: Summensignal U_{ENC_ADD}
R_DR: Vorwiderstand der LED des optischen Gabelkopplers GKR für den Rechtslauf
R_DL: Vorwiderstand der LED des optischen Gabelkopplers GKL für den Linkslauf
R_H1: Rückkoppelwiderstand zur Erzeugung der Schalthysterese in Verbindung mit R_H2
R_H2: Vorwiderstand zur Erzeugung der Schalthysterese in Verbindung mit R_H1
R_LR: Lastwiderstand für den Fototransistor des Gabelkopplers GKR für den Rechtslauf
R_LL: Lastwiderstand für den Fototransistor des Gabelkopplers GKL für den Linkslauf
R_T1, R_T2: Teilerwiderstände zur Erzeugung der Referenzspannung U_ref
R₁, R₂: Teilerwiderstände zwischen der Summenspannung U_{ENC_ADD} und der Referez
: spannung U_ref zur Bildung der variablen Komparatorspannung U_e–
t: Zeit, allgemein
t₁: Ansteuerzeit für den Stromfluß in den Motorwicklungen.
: t₁ ist im Vergleich zur Stromanstiegszeit t_r und der Stromausräumzeit t_f
: lang.
t₂: Ansteuerzeit für den Stromfluß in den Motorwicklungen.
: t₂ entspricht dabei etwa der Summe der Stromanstiegszeit tr und der
: Stromausräumzeit t_f.
t_f: Stromausräumzeit vom Abschaltzeitpunkt des Stromflusses bis zum Ende des
: Stromflusses.
t_r: Stromanstiegszeit vom Einschalten des Stromflusses bis zum Erreichen des
: vorgegebenen Maximalstromes.
t_v: Signalverzögerungszeit bei der Generierung der Ansteuerspannung U_MOT
: aus der Encoderspannung U_ENC
U_B: Betriebsspannung für Comparator COMP_A
U_CHH: Komparatorschwelle für den Komparator COMP_A, COMP_B, die wirksam ist, wenn
: das Summensignal U_{ENC_ADD} vom Pegel U_HH in U_LH wechselt.
U_CHL: Spannungswert für U_e+, wenn das Summensignal U_{ENCX_ADD} vom Pegel U_HH
: nach U_LH gewechselt hat.
U_CLH: Spannungswert für U_e+, wenn das Summensignal U_{ENCX_ADD} vom Pegel U_LL
: nach U_LH gewechselt hat.
U_CLL: Komparatorschwelle für den Komparator COMP_A, COMP_B, die wirksam ist, wenn
: das Summensignal U_{ENC_ADD} vom Pegel U_LL in U_LH wechselt.
U_e+: Eingangsspannung am nichtnegierenden Eingang e+ des Komparators
: COMP_A, COMP_B
U_e–: Eingangsspannung am negierenden Eingang e– des Komparators
0: COMP_A, COMP_B
U_ENC: logische Ausgangsspannung der Encodereinrichtung, aus der die logischen
: Ansteuersignale U_MOT für die Motorendstufen abgeleitet werden.
U_{ENCA_ADD}: Summenspannung aus den logischen Ausgangsspannungen der Encodereinrichtung
: für die Ansteuerung der Motorendstufe des Kanals A.
U_{ENCA_R}: logische Ausgangsspannung der Encodereinrichtung 1_A zur Ansteuerung der
: Motorendstufen A für den Rechtslauf.
U_{ENCA_L}: logische Ausgangsspannung der Encodereinrichtung 1_A zur Ansteuerung der
: Motorendstufen A für den Linkslauf.
U_{ENCB_R}: logische Ausgangsspannung der Encodereinrichtung 1_B zur Ansteuerung der
: Motorendstufen B für den Rechtslauf.
U_{ENCB_L}: logische Ausgangsspannung der Encodereinrichtung 1_B zur Ansteuerung der
: Motorendstufen B für den Linkslauf.
U_{ENCX_R}: logische Ansteuerspannung U_{ENCA_R}, U_{ENCB_R} der Encodereinrichtung
: zur Ableitung der Motoransteuersignale U_MOT für den Rechtslauf.
U_{ENCX_L}: logische Ansteuerspannung U_{ENCA_L}, U_{ENCB_L} der Encodereinrichtung
: zur Ableitung der Motoransteuersignale U_MOT für den Linkslauf.
U_{ENCA_RL}: logische Ausgangsspannung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung (2_A ),
: drehrichtungsmodifiziert
U_{ENCB_RL}: logische Ausgangsspannung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung (2_B ),
: drehrichtungsmodifiziert
U_HH: Spannungspegel des Summensignals U_{ENC_ADD}, wenn beide Encodersignale
: U_{ENCX_R}, U_{ENCX_L} logisch hohen Pegel haben.
U_LL: Spannungspegel des Summensighals U_{ENC_ADD}, wenn beide Encodersignale
: U_{ENCX_R}, U_{ENCX_L} logisch niedrigen Pegel haben.
U_LH: Spannungspegel des Summensignals U_{ENC_ADD}, wenn eines der beiden
: Encodersignale U_{ENCX_R}, U_{ENCX_L} logisch einen niedrigen Pegel und das andere
: Signal einen logisch hohen Pegel hat.
U_MOT: logische Ansteuerspannung für die Motorendstufen, die die Stromflußzeit in den
: Motorwicklungen vorgibt.
U_ref: Referenzspannung, die dem Pegel der Summenspannung U_{ENC_ADD}
: entspricht, wenn eines der Encodersignale U_{ENCA_R} bzw. U_{ENCA_B} einen
: hohen und das andere Signal einen niedrigen Pegel hat.
Y: Ausgang der Komparatoren COMP_A, COMP_B
+5V: Positive Betriebsspannung +5V

Claims

Schaltungsanordnung zur Erhöhung der maximalen Schrittfrequenz bei eigentaktierten Schrittmotoren mit zwei separaten Encodersystemen (1A, 1B), wobei jedes der Encodersysteme (1A, 1B) zwei logische Ausgangssignale (U_{ENCA_R}, U_{ENCA_L}; U_{ENCB_R}, U_{ENCB_L}) zur Ableitung der Ansteuersignale (U_MOT) der Motorwicklungen erzeugt, wobei die Ausgangssignale (U_{ENCA_R}, U_{ENCA_L}) des ersten Encodersystemes (1A) gegenüber den Ausgangssignalen (U_{ENCB_R}, U_{ENCB_L}) des zweiten Encodersystems (1B) um 90° in der Phase verschoben sind, wobei die Ausgangssignale (U_{ENCA_R}, U_{ENCA_L}; U_{ENCB_R}, U_{ENC_L}) eines jeweiligen Encodersystems (1A; 1B) gegenüber dem Polradwinkel (φ_opt) des Schrittmotors um einen definierten Winkelbetrag (φ₁) in der Phase versetzt sind, wobei bei gleicher Drehrichtung des Schrittmotors eines der beiden Ausgangssignale (U_{ENCA_L}, U_{ENCB_L}) um den Winkel (φ₁) gegenüber dem Polradwinkel (φ_opt) des Schrittmotors voreilt und das andere der beiden Ausgangssigale (U_{ENCA_R}, U_{ENCB_R}) um den gleichen Winkelbetrag (φ₁) nacheilt, wobei jeweils die phasengleichen, jedoch um den definierten Winkelbetrag (φ₁) in der Phase versetzten Ausgangssignale (U_{ENCA_R}, U_{ENCA_L}; U_{ENCB_R}, U_{ENCB_L}) über je einen Additionswiderstand (R_{ADD_R}, R_{ADD_L}) verbunden sind und im Knotenpunkt die Summenspannung (U_{ENCA_ADD}) bilden, diese Summenspannung (U_ENCA _{_ADD}) über einen Vorwiderstand (R_H2) am nichtnegierenden Eingang (e+) eines Komparators (COMP_A, COMP_B) anliegt, der nichtnegierende Eingang (e+) des Komparators (COMP_A, COMP_B) über eine ohne Potentialschwelle bildende Schaltungskomponente (PS) in Reihe mit einem hysteresebildenden Rückkoppelwiderstand (R_H1) mit dem Ausgang (Y) des Komparators (COMP_A, COMP_B) verbunden ist, an dem die jeweilige logische Ausgangsspannung (U_{ENCB_RL}, U_{ENCB_RL}) zur Ableitung der Ansteuersignale (U_MOT) der Motorwicklungen anliegt, ein erster Spannungsteiler bestehend aus Teilerwiderständen (R_T1 und R_T2) zwischen einer Betriebsspannung (+5V) und einem Bezugspotential (GND) vorhanden ist, der eine Referenzspannung (U_ref) bildet, ein zweiter Spannungsteiler, bestehend aus Teilerwiderständen (R1 und R2) zwischen der Summenspannung (U_ENCA _{_ADD}) und der Referenzspannung (U_ref) angeordnet ist, im Teilerpunkt zwischen den Teilerwiderständen (R₁ und R₂) eine Spannung (U_e–) erzeugt wird, die mit dem negierenden Eingang (e–) des Komparators (COMP_A, COMP_B) verbunden ist und dass zwischen dem negierenden Eingang (e–) des Komparators (COMP_A, COMP_B) und dem Bezugspotential (GND) ein signalverzögernder Kondensator (C) angeordnet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandswerte des ersten Spannungsteilers (R_T1 und R_T2) so dimensioniert sind, dass sich im Teilpunkt zwischen den Teilwiderständen (R_T1 und R_T2) die Referenzspannung (U_ref) ergibt, die der Summenspannung (U_ENCA _{_ADD}) entspricht, wenn eines der logischen Ausgangssignale (U_{ENCA_R}, U_{ENCA_L})(U_{ENCB_R}, U_{ENCB_L}) der Encodersysteme (1A, 1B) einen logisch hohen Pegel und das andere einen logisch niedrigen Pegel hat.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Additionswiderstände (R_{ADD_R} und R_{ADD_L}) gleiche Werte haben.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die die Potentialschwelle bildende Schaltungskomponente (PS) aus anitparallel geschalteten Dioden (D) besteht.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die die Potentialschwelle bildende Schaltungskomponente (PS) durch zwei in Reihe geschalteten Zenerdioden (D_Z) besteht, wobei entweder die beiden Anoden oder die beiden Kathoden miteinander verbunden sind.
Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die stromflussfreie Potentialschwelle beim logisch niederen Pegel und beim logisch hohen Pegel durch die Anzahl der Einzeldioden in den Strompfaden festgelegt ist oder dass Zenerdioden mit unterschiedlichen Zenerspannungswerten eingesetzt sind.