DE19721282A1 - Verfahren zum Treiben eines Schrittmotors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Treiben eines Schrittmotors, insbesondere auch ein Verfahren zum Treiben eines Schrittmotors, der als Antriebsquelle für einen Schlittenantriebsmechanismus eines mit einem Schlitten ausgestatteten Druckers oder als Antriebsquelle für einen Papiertransportmechanismus eines Druckers eingesetzt wird.

Ein sogenannter seriell arbeitender Drucker, bei dem eine vorbestimmte Aufzeichnung erfolgt, während ein einen Druckkopf tragender Schlitten entlang einem Druckerwiderlager bewegt wird, der Druckkopf selektiv angesteuert wird, um einen Zeilenabschnitt auf einen Aufzeichnungs­ träger zu drucken, der Aufzeichnungsträger zeilenweise weitertranspor­ tiert wird, wenn eine Zeile gedruckt ist, um anschließend die nächste Zeile zu drucken, dient vornehmlich als Ausgabeeinrichtung für einen Rechner oder einen Textprozessor.

In einem solchen seriell arbeitenden Drucker wird im allgemeinen ein Schrittmotor dazu eingesetzt, den Antriebsmechanismus eines Schlittens und/oder eines Papiertransportmechanismus anzusteuern. Der Schritt­ motor eignet sich deshalb besonders gut, weil er folgende besondere Vorteile aufweist:

• 1. Der Drehwinkel des Motors ist proportional zu der Anzahl von Eingangsimpulsen, es entsteht kein akkumulativer Fehler.
• 2. Die Drehzahl des Motors ist proportional zur Eingangsimpulsfre­ quenz, und es ist ein präziser synchroner Betrieb in einem großen Steuerbereich möglich.
• 3. Anfahr- und Anhalteverhalten sind hervorragend; der Betrieb bei konstanter Frequenz ist bei der Selbst-Start-Frequenz oder darunter möglich.
• 4. Das Ansprechverhalten ist sehr gut, ebenso wie die Ausgangslei­ tung.
• 5. Man kann die Position dadurch steuern, daß man lediglich einen Eingangsimpuls entsprechend einer Zielposition eingibt.
• 6. Es ist eine digitale Steuerung möglich.

Ein Schrittmotor ist gemäß Fig. 9 hauptsächlich ausgestattet mit einem Stator 6, der einen ersten (A), einen zweiten (B), einen dritten (C) und einen vierten (D) magnetischen Pol (Phasen) 2, 3, 4 und 5 aufweist, die in Abständen von 90 Grad angeordnet sind, und einem Rotor 7, der aus einem sich drehenden Permanentmagneten mit einem N- und einem S-Pol mit 180 Grad Versatz besteht. Ferner ist dieser Rotor 7 mit einer nicht dargestellten Ausgangswelle gekoppelt. Um den ersten und den dritten magnetischen Pol 2 und 4 ist eine erste Spule 8 gewickelt, auf dem zweiten (B) und dem vierten (D) Magnetpol 3 und 5 ist eine zweite Spule 9 gewickelt.

Wenn in die Spulen 8 und 9 ein Erregerstrom mit entsprechenden Pha­ sen für den Stator eingespeist wird, um den Schrittmotor 1 in Drehung zu versetzen, wird durch diesen Strom ein Magnetfeld erzeugt, so daß zwischen dem Stator 6 und dem Rotor 7 elektromagnetische Anziehungs- oder Abstoßungskräfte entstehen. Die elektromagnetische Kraft zwi­ schen dem Stator 6 und dem Rotor 7 wird umgeschaltet, indem der Erregerstrom sukzessive umgesteuert wird, um dadurch ein Drehmoment zum Drehen des Rotors zu erzeugen.

Fig. 10 ist ein Blockdiagramm eines Motortreiber-IC zum Ansteuern eines allgemeinen Schrittmotors. Wie aus Fig. 10 hervorgeht, ist das Motortreiber-IC 10 aufgebaut durch eine Steuerschaltung 11, eine Trei­ berschaltung 12 und eine Versorgungsquelle 13. Die Steuerschaltung 11 hat die Funktionen des Steuerns insgesamt, beispielsweise das Ändern der Eingangsspannung, der Drehzahl und der Drehrichtung, einer Strecke und eines Winkels abweichend von einer Eingangsschnittstelle, und sie führt die Steuerung der Zeitpunkte für die Impulse durch, die dem Schrittmotor 1 zugeführt werden. Außerdem ist die Treiberschal­ tung 12 eine Schaltung zum Verteilen von impulsförmigen Signalen, die von der Steuerschaltung 11 kommen, sowie zum Verstärken dieser Signale, um die jeweiligen Phasen des Schrittmotors 1 in einer bestimm­ ten Folge zu erregen. Als Versorgungsquelle 13 werden zwei Arten benötigt, eine zum Antreiben des Schrittmotors, die andere für eine typische integrierte Schaltung (IC).

Außerdem gibt es grundsätzlich zwei Typen von Treibersystemen, näm­ lich ein unipolares und ein bipolares Treibersystem zum Ansteuern des Schrittmotors 1.

Das unipolare Treibersystem entspricht einem Verfahren, bei dem ein Strom in jeweilige Spulen in einer Richtung eingespeist wird, indem lediglich ein entsprechender Transistor 21, 22, 23 bzw. 24, die an zuge­ hörigen Spulen liegen, wie aus Fig. 11 hervorgeht, eingeschaltet wer­ den. Im Gegensatz dazu wird bei einem bipolaren Treibersystem eine Mehrzahl von Transistoren 25, 26, 27 und 28 an zugehörige Spulen angeschlossen, wie dies in Fig. 12 gezeigt ist. Wenn man als Beispiel nur die Phase A betrachtet, so fließt ein Strom in der Richtung A, wenn man den ersten Transistor 25 und den vierten Transistor 28 einschaltet, während ein Strom in die umgekehrte Richtung A fließt, indem man den zweiten Transistor 26 und den dritten Transistor 27 einschaltet. Bei dem unipolaren Treibersystem ist ein im Vergleich zu dem bipolaren Treiber­ system vereinfachter Schaltungsaufbau möglich, weil die Anzahl der Transistoren nur halb so groß ist. Allerdings hat das bipolare Treibersys­ tem demgegenüber den Vorteil eines größeren Motor-Drehmoments im Vergleich zu dem unipolaren Treibersystem, bezogen auf gleiche elektri­ sche Eingangsleistung. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Treiben eines Schrittmotors 1 wird im vorliegenden Zusammenhang unter Bezug­ nahme auf ein bipolares Ansteuern erläutert.

Das Speisesystem für einen Erregerstrom beinhaltet die 1-Phasen-Erre­ gung, die 1-2-Phasen-Erregung, die 2-2-Phasen-Erregung und so weiter.

Das oben angesprochene Verfahren zum Treiben eines Schrittmotors 1 mittels 1-Phasen-Erregung ist das grundlegendste Treiberverfahren zum phasenweisen Erregen der jeweiligen Phasen nacheinander, um den Schrittmotor um einen Grundschritt-Winkel zu drehen. Wenngleich die Winkelgenauigkeit groß ist, hat dieses Verfahren doch den Nachteil, daß das Antriebsmoment gering und der Leistungswirkungsgrad niedrig ist. Deshalb gelangt dieses Verfahren nicht so häufig zur Anwendung. Darü­ ber hinaus entspricht bei der 1-Phasen-Erregung ein Schrittwinkel einem Grund-Schrittwinkel.

Das oben erläuterte Verfahren zum Treiben eines Schrittmotors 1 durch 2-2-Phasen-Erregung ist ein Verfahren, bei dem ständig zwei einander benachbarte Phasen gleichzeitig erregt und zu einer gewissen Zeit die Erregung einer Phase umgeschaltet wird. Da stets zwei Phasen erregt sind, ist der Leistungswirkungsgrad hoch, und man erhält ein hohes Ausgangsdrehmoment bei gleicher Spannungsversorgung. Darüber hinaus ist der Schrittmotor dann in vorteilhafter Weise gut gegen Vibrationen abgesichert, wie sie entstehen, wenn der Rotor über die Soll-Position hinausdreht. Deshalb wird dieses Verfahren in großem Umfang zum Treiben eines Schrittmotors 1 eingesetzt.

Darüber hinaus gibt es noch das oben angesprochene Verfahren zum Treiben eines Schrittmotors durch 1-2-Phasen-Erregung. Bei dieser Art der Motoransteuerung wird die oben angesprochene 1-Phasen-Erregung abwechselnd mit der 2-2-Phasen-Erregung durchgeführt. Weil die Anhal­ testellung des Rotors bei der 1-Phasen-Erregung und die Anhaltestellung bei der 2-2-Phasen-Erregung gegeneinander um 1/2 des Grundschritt­ winkels versetzt sind, läßt sich die Ausgangsgröße bei einem Schritt­ winkel erhalten, der 1/2 des Schrittwinkels der 1-Phasen-Erregung und der 2-2-Phasen-Erregung ausmacht, indem diese zwei Erregungszustände abwechselnd eingestellt werden. Es verdoppelt sich also die Auflösung im Vergleich zu den anderen Ansteuerverfahren, so daß man eine fein­ stufige Einstellung des Schrittmotors erreicht. Außerdem läßt sich der Schrittmotor mit wenig Rauschen und in stabiler Weise bei hoher Ge­ schwindigkeit antreiben. Das Verfahren wird also vornehmlich dann eingesetzt, wenn eine genaue Drehgröße erhalten werden soll.

Wenn allerdings bei diesem Verfahren des Ansteuerns eines Schrittmo­ tors die Eingangsleistung gesteigert wird, um bei Betrieb mit hoher Drehzahl ein entsprechend hohes Drehmoment zu erreichen, so wird im unteren Drehzahlbereich ein übermäßig großes Drehmoment erzeugt, was zu Vibrationen und zu Rauschen führt.

Um diese Unzulänglichkeit zu vermeiden, wird von einem Treiberver­ fahren Gebrauch gemacht, welches mit der Bezeichnung Mikroschritt-Treiberverfahren bezeichnet wird, und bei dem ein Konstantstrom-Zer­ hackersystem zum Einsatz gelangt, bei dem ein Schrittwinkel, der me­ chanisch durch den Aufbau des Schrittmotors 1 festgelegt ist, zusätzlich einer Feinteilung unterzogen wird, und zwar mit Hilfe einer elektroni­ schen Schaltung, über die der Rotor des Schrittmotors 1 so angesteuert wird, daß er glatt gedreht wird. Im vorliegenden Fall soll beschrieben werden, daß die Ansteuerung nach dem Mikroschritt-Treiberverfahren mittels bipolarer Ansteuerung bei 2-2-Phasen-Erregung erfolgt.

Die Zustandsänderungen eines Treiberstroms bei der Vollschritt-Ansteue­ rung sowie bei der Mikroschritt-Ansteuerung sind in Fig. 13 dargestellt. Wenn die Drehmoment-Winkel-Kennlinie des Schrittmotors 1 einen etwa sinusförmigen Verlauf hat, wird eine glatte Drehung mit geringen Dreh­ momentschwankungen möglich, wenn man einen sinusförmigen Erreger­ strom einspeist, wie er in Fig. 13 dargestellt ist. Dieser sinusförmige Erregerstrom wird dadurch erhalten, daß man eine Periode mit einer Steuerschaltung in mehrere Perioden aufteilt. Fig. 13 zeigt den Fall der Aufteilung einer Periode in vierzig Abschnitte, da dies jedoch bedeutet, daß der Grundschrittwinkel in zehn Abschnitte aufgeteilt ist, wird die Auflösung zehn Mal so hoch wie zuvor. Abgesehen davon, ist die An­ zahl der Unterteilungen optional wählbar.

Bei einem konventionellen Konstantstrom-Zerhackersystem wird bei der Mikroschritt-Ansteuerung ein konstanter Strom dadurch erhalten, daß man eines der im folgenden erläuterten Verfahren verwendet. Der Kon­ stantstrom-Zerhackertreiber hat eine solche Ausgestaltung, daß er die in Fig. 14 dargestellte Stromwellenform liefert, wonach ein konstanter Strom dadurch aufrechterhalten wird, daß ein Strom-Aus-Zustand für eine vorbestimmte Zeitspanne eingerichtet wird, wenn der Versorgungs­ strom einen Einstellwert erreicht, und der Strom anschließend wieder eingeschaltet wird, so daß der Speisestrom den Einstellwert erreicht.

Gemäß einem ersten Verfahren zum Erhalten des konstanten Stroms wird in einer Treiberschaltung der in Fig. 12 gezeigten Bauart ein erster Transistor 25 sowie ein vierter Transistor 28 im Einschaltzustand der Spannungsversorgung eingeschaltet, und wenn die Versorgungsstrom­ stärke einen Einstellwert erreicht, wird der erste Transistor 25 in einem Zustand ausgeschaltet, in welchem der vierte Transistor 28 eingeschaltet bleibt. Obschon der Erregerstrom allmählich abnimmt, wird wiederholt ein Betrieb durchgeführt, bei dem der erste Transistor 25 in den Ein­ schaltzustand gebracht wird, der Strom auf einen Einstellwert angeho­ ben und der erste Transistor 25 erneut abgeschaltet wird, nachdem eine vorbestimmte Zeitspanne verstrichen ist. Gemäß einem zweiten Ver­ fahren wird in der Treiberschaltung nach Fig. 12 der erste Transistor 25 sowie der vierte Transistor 28 eingeschaltet, dann wird der erste Transi­ stor 25 ausgeschaltet, und der vierte Transistor 28 wird ebenfalls ausge­ schaltet zu dem Zeitpunkt, zu dem der Versorgungsstrom den Einstell­ wert erreicht, dann wird die Stromstärke drastisch reduziert, der erste Transistor 25 und der vierte Transistor 28 werden eingeschaltet, um den Strom auf den Einstellwert zu steigern, und der erste Transistor 25 sowie der vierte Transistor 28 werden erneut ausgeschaltet, wenn eine vorbestimmte Zeitspanne verstrichen ist. Dieser Vorgang wird wieder­ holt.

Es wurde lediglich der Verlauf des Erregerstroms in der Phase A erläu­ tert, jedoch erfolgt eine ähnliche Steuerung auch für die anderen Phasen-Spulen mit versetzten Erregerzeiten.

Bei dem zuerst erläuterten Verfahren läßt sich zwar die Stromwelligkeit gemäß Fig. 15 verringern, jedoch ist der Erregerstrom verzerrt, so daß der Anfall von Wärme in dem Schrittmotor zunimmt.

Bei dem zweiten Verfahren gibt es die Unzulänglichkeit, daß die Strom­ welligkeit gemäß Fig. 16 zunimmt, so daß die Motorverluste steigen, und es wird gleichzeitig das Drehmoment verringert.

Da bei dem Mikroschritt-Treiberverfahren außerdem in Zeiten hoher Drehzahlen die Notwendigkeit besteht, einen Schritt (Impuls) in weitere feine Schritte zu unterteilen, erhält ein Treiberimpuls eine Hochfre­ quenzkomponente, was den Aufbau der Treiberschaltung und deren Steuerung verkompliziert.

Bei einem bekannten Ansteuerverfahren für einen Schrittmotor wird zur Überwindung der Probleme des Standes der Technik von einem Verfah­ ren der Ansteuerung eines Schrittmotors Gebrauch gemacht, bei dem der Motor bei hohen Drehzahlen mit einem normal arbeitenden Erregersys­ tem angesteuert wird, während bei niedrigen Drehzahlen die Mikro­ schritt-Ansteuerung erfolgt, wobei der Strom während der Ausschaltzeit­ spannen im Zerhackerbetrieb zur Erzielung eines konstanten Stroms beim Mikroschritt-Treiberverfahren reduziert wird, indem man eine Hochdrehzahl-Dämpfung mit einer Niedrigdrehzahl-Dämpfung kombi­ niert.

Bei diesem Ansteuerverfahren besteht die Möglichkeit, die Stromwellig­ keit zu verringern, und dadurch die Entstehung von Wärme und Vibra­ tion bei Drehung des Motors mit niedriger Drehzahl zu begrenzen, ohne dadurch die Steuerschaltung kompliziert zu machen.

Allerdings sind bei einem solchen Ansteuerverfahren für einen Schritt­ motor die der auf die Phasen A und C gewickelten ersten Spule 8 und die der auf die Phasen B und D gewickelten zweiten Spulen 9 entspre­ chende Referenzspannung eines Motortreiber-ICs 10 Sinuswellen, wie aus Fig. 17A und 17B hervorgeht, während die Mikroschritt-Ansteue­ rung erfolgt, während die in die Spulen 8 und 9 eingespeisten Erreger­ ströme ebenfalls sinusförmige Wellen basierend auf der Referenzspan­ nung sind, wie aus den Fig. 18A und 18B hervorgeht. Untersucht man die Summe der Erregerströme in der ersten Spule 8 und der zweiten Spule 9, so sieht man, daß eine Stromsummen-Welligkeit entstanden ist, wie sie in Fig. 18C dargestellt ist. Fig. 19 zeigt eine vergrößerte An­ sicht der Fig. 18C, und man erkennt, daß die Stromsumme jedesmal dann eine Spitze aufweist, wenn der Erregerstrom der ersten Spule 8 und der Erregerstrom der zweiten Spule 9 einander überlappen. Eine solche Stromsummen-Welligkeit führt zu einer Drehmoment-Welligkeit des Schrittmotors und war eine Ursache für die Entstehung von Vibra­ tionen bei der Mikroschritt-Ansteuerung.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zum Treiben eines Schrittmotors, welches in der Lage ist, ohne die Notwendigkeit einer komplizierten Steuerschaltung Vibrationen bei der Mikroschritt-Ansteuerung des Schrittmotors zu beherrschen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zum Treiben eines Schrittmotors, bei dem Vibrationen im niederfrequenten Beschleunigungs/Verzögerungs-Bereich im Betrieb mit niedriger Dreh­ zahl oder im Betrieb mit hoher Drehzahl beherrscht werden können.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung.

Durch die vorliegende Erfindung wird ein Verfahren zum Treiben eines Schrittmotors geschaffen, bei dem eine Mikroschritt-Ansteuerung im niederfrequenten Beschleunigungs/Verzögerungs-Bereich während des Betriebs mit niedriger Drehzahl und während des Betriebs mit hoher Drehzahl des Schrittmotors beim Umschalten der Phase während des bipolaren Ansteuerns durchgeführt wird, so daß der Rotorkern des Schrittmotors rund (glatt) dreht, und zwar im unteren Beschleunigungs- /Verzögerungs-Bereich bei hohen und niedrigen Drehzahlen, so daß Vibrationen auf ein Minimum unterdrückt werden.

Durch die Erfindung wird außerdem ein Verfahren zum Ansteuern eines Schrittmotors geschaffen, welches in der Lage ist, eine Stromsummen­ welligkeit an der Entstehung zu hindern und Vibrationen zur Zeit des Mikroschritt-Ansteuerns zu unterdrücken, ohne daß eine komplizierte Steuerschaltung erforderlich wäre, indem ein Erregerstrom für die jewei­ ligen Phasen dadurch gebildet wird, daß eine Zerhacker-Stromwelle mit Hilfe des Mikroschritt-Ansteuerns erzeugt wird.

Durch die Erfindung soll außerdem ein Verfahren zum Ansteuern eines Schrittmotors geschaffen werden, bei dem der Vibrationspegel des Mo­ tors dadurch verbessert wird, daß man einen Erregerstrom einspeist, der sich aus einer Zerhacker-Stromwelle zusammensetzt, welche ihrerseits erhalten wird durch Anlegen eines Vorstroms an die jeweiligen Spulen des Schrittmotors.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1A ein Diagramm, welches eine Drehzahländerung eines Schrittmotors im unteren Drehzahlbereich gemäß der Erfin­ dung veranschaulicht;

Fig. 1B ein Diagramm, welches eine Spannungsänderung für jede Phase eines Motors im unteren Drehzahlbereich zeigt (der Abschnitt der Sägezahnwelle veranschaulicht die Treiberpo­ sitionen durch Mikroschritt-Ansteuerung);

Fig. 2A ein Diagramm einer Drehzahländerung eines Schrittmotors im hohen Drehzahlbereich gemäß der Erfindung;

Fig. 2B ein Diagramm einer Spannungsänderung für jede Phase eines Motors im hohen Drehzahlbereich (der dargestellte Sägezahnwellenbereich zeigt die Treiberpositionen durch Mikroschritt-Ansteuerung);

Fig. 3 ein Wellenformdiagramm eines Spulenstroms gemäß einer Ausführungsform eines Ansteuerverfahrens für einen Schrittmotor gemäß der Erfindung;

Fig. 4A ein Wellenformdiagramm einer Referenzspannung entspre­ chend einer ersten Spule eines Motortreiber-ICs gemäß einer Ausführungsform eines Ansteuerverfahrens für einen Schrittmotor gemäß der Erfindung;

Fig. 4B ein Wellenformdiagramm, welches eine Referenzspannung entsprechend einer zweiten Spule eines Motortreiber-IC ähnlich der obigen Darstellung veranschaulicht;

Fig. 5A ein Wellenformdiagramm, die einen Erregerstrom der ersten Spule gemäß einer Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen Ansteuerverfahrens für einen Schrittmotor zeigt;

Fig. 5B ein Wellenformdiagramm, welches den Erregerstrom der zweiten Spule ähnlich der obigen Darstellung zeigt;

Fig. 5C ein erläuterndes Diagramm, welches eine Stromsumme von Erregerströmen der ersten und der zweiten Spule veran­ schaulicht;

Fig. 6 ein vergrößertes Diagramm der Fig. 5C;

Fig. 7A ein Wellenformdiagramm der Referenzspannung, die mit entsprechender Vorspannung an die erste Spule des Motor­ treiber-ICs gemäß einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Treiberverfahrens für einen Schritt­ motor angelegt wird;

Fig. 7B ein Wellenformdiagramm, welches eine Referenzspannung zeigt, die mit Vorspannung an die entsprechende zweite Spule des Motortreiber-ICs angelegt wird, ähnlich wie Fig. 7A;

Fig. 8A ein Wellenformdiagramm eines Erregerstroms, der mit Vorspannung in die erste Spule gemäß einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Treiben eines Schrittmotors eingespeist wird;

Fig. 8B ein Wellenformdiagramm eines Erregerstroms, der mit Vorspannung in die zweite Spule eingespeist wird;

Fig. 8C eine anschauliche Darstellung eines Summenstroms der Erregerströme, die mit Vorspannung in die erste und die zweite Spule eingespeist werden;

Fig. 9 ein grundlegendes Diagramm zum Veranschaulichen des Aufbaus eines Schrittmotors;

Fig. 10 ein Blockdiagramm eines Treibers eines Schrittmotors;

Fig. 11 eine anschauliche Darstellung einer Treiberschaltung für einen Schrittmotor eines Unipolar-Systems;

Fig. 12 ein anschauliches Diagramm einer Treiberschaltung für einen Schrittmotor eines Bipolar-Systems;

Fig. 13 ein anschauliches Diagramm zum Erläutern der Änderung eines Erregerstroms bei der Vollschritt-Ansteuerung einer­ seits und bei der Mikroschritt-Ansteuerung andererseits;

Fig. 14 ein Wellenformdiagramm für einen Erregerstrom bei einem Konstantstrom-Zerhackersystem;

Fig. 15 ein Wellenformdiagramm eines Erregerstroms während der Zeit der Niedrigdrehzahl-Dämpfung entsprechend einem konventionellen Treiberverfahren;

Fig. 16 ein Wellenformdiagramm eines Erregerstroms zur Zeit der Hochdrehzahl-Dämpfung entsprechend einem konventionel­ len Treiberverfahren;

Fig. 17A ein Wellenformdiagramm einer Referenzspannung entspre­ chend der ersten Spule des Motortreiber-IC gemäß einem konventionellen Treiberverfahren für einen Schrittmotor;

Fig. 17B ein Wellenformdiagramm, welches eine Referenzspannung entsprechend der zweiten Spule des Motortreiber-IC ähn­ lich Fig. 17A zeigt;

Fig. 18A ein Wellenformdiagramm eines Erregerstroms der ersten Spule gemäß einem konventionellen Treiberverfahren für einen Schrittmotor;

Fig. 18B ein Wellenformdiagramm eines Erregerstroms für die zweite Spule, ähnlich Fig. 18A;

Fig. 18C ein anschauliches Diagramm für einen Summenstrom von Erregerströmen der ersten und der zweiten Spule; und

Fig. 19 ein vergrößertes Diagramm der Fig. 18C.

Ein Treiberverfahren für einen Schrittmotor gemäß der Erfindung beruht auf dem Zerhacker-Ansteuern mit der oben erläuterten Bipolar-Treiber­ schaltung. In einer ersten Ausfühlungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt die Ansteuerung mit normaler 1-2-Phasen-Erregung oder 2-2-Phasen-Erregung während hoher Drehzahlen des Schrittmotors, während im unteren Drehzahlbereich sowie im hohen Drehzahlbereich des Schritt­ motors 1 eine Mikroschritt-Ansteuerung an niederfrequenten Beschleuni­ gungs/Verzögerungs-Bereich vorgenommen wird.

Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Ansteue­ rung mit normaler 1-2-Phasen-Erregung oder 2-2-Phasen-Erregung während hoher Drehzahlen, während bei niedriger Drehzahl die Mikro­ schritt-Ansteuerung erfolgt und für den in jede Phase eingespeisten Erregerstrom ein zerhackter Strom verwendet wird.

Bei einer dritten Ausführungsform der Erfindung wird ein Schrittmotor dadurch getrieben, daß ein Erregerstrom wie bei der zweiten Ausfüh­ rungsform eingespeist wird, jedoch mit einem entsprechenden Vorstrom.

Die hier angesprochene Zeitspanne niedriger Drehzahl bedeutet den Zeitabschnitt der Ansteuerung oder des Treibens, in welchem eine Treiberimpulsbreite pro Schritt von etwa 650 Mikrosekunden bis zu 10 Millisekunden dauert.

Fig. 1 und 2 sollen die Drehgeschwindigkeit oder Drehzahl eines Motors und die an jede Phase zu dieser Zeit angelegten Spannung für ein Ver­ fahren des Treibens eines Schrittmotors gemäß der ersten Ausführungs­ form der Erfindung erläutern.

Fig. 1A zeigt die Drehzahl des Schrittmotors 1 zur Zeit langsamer Dre­ hung, also niedriger Drehzahl, Fig. 1B zeigt die zu jener Zeit an jede Phase angelegte Spannung. Weiterhin zeigt Fig. 2A die Drehzahl des Schrittmotors 1 während schneller Drehung, und Fig. 2B zeigt die dann an jede Phase angelegte Spannung. In den Fig. 1B und 2B ist der säge­ zahnförmige Linienzug derjenige Bereich, in der die Ansteuerung nach dem Mikroschritt-Treiberverfahren erfolgt.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, wird, wenn der Schrittmotor 1 mit geringer Drehzahl gedreht wird, der Motor so gesteuert, daß er in dem gesamten Bereich vom Beschleunigungsbereich (Zeit t0 bis t1) bis zu dem Bereich konstanter Drehzahl (Zeit t1 bis t2) und dem Verzögerungsbereich (Zeit t2 bis t3) nach dem Mikroschritt-Ansteuerverfahren betrieben wird.

Andererseits wird gemäß Fig. 2 der Schrittmotor so gesteuert, daß im hohen Drehzahlbereich des Schrittmotors 1 der Antrieb durch Mikro­ schrittansteuerung nur in einem Bereich erfolgt, in welchem die Treiber­ impulsbreite pro Schritt zwischen dem dreifachen der Eigenstart-Fre­ quenz des Schrittmotors 1 (etwa 650 Mikrosekunden) und 10 Millisekun­ den liegt, während die Drehung auf eine vorbestimmte, konstante Ge­ schwindigkeit beschleunigt wird und eine Verzögerung aus der vorbe­ stimmten, konstanten Geschwindigkeit bis zum Anhalten erfolgt, d. h., nur in der Zeitspanne t0 bis t1 und t4 bis t5, während in den übrigen Beschleunigungs/Drehzahl-Bereichen bei hoher Drehzahl und in den Niedrigdrehzahlbereichen die Ansteuerung nach dem normalen Erreger­ verfahren erfolgt.

Zu dieser Zeit wird der Strom mit einem Konstantstrom-Zerhackersys­ tem eingespeist, wobei ein erster Transistor 25 ausgeschaltet wird, wenn eine Stromstärke einen Einstellwert in einer Treiberschaltung gemäß Fig. 12 zu einer Teilungszeit erreicht, während der Ein- und Auszustand des vierten Transistors 28 ausgewählt werden kann, während der erste Tran­ sistor 25 ausgeschaltet ist, und der vierte Transistor 28 ebenfalls zu­ sammen mit dem ersten Transistor 25 ausgeschaltet werden kann, wenn die Stromstärke einen Einstellwert erreicht. Daran anschließend wird der Erregerstrom drastisch gesenkt (Hochgeschwindigkeitsdämpfung). Wenn dann der Erregerstrom auf einen vorbestimmten Wert (vorbestimmte Zeitspanne) abgesenkt ist, wird der vierte Transistor 28 eingeschaltet. Dabei wird die Verringerung des Erregerstroms langsam (Niedrigdreh­ zahl-Dämpfung). Wenn weiterhin die Stromstärke auf einen zweiten Einstellwert (eine vorbestimmte Zeitspanne ist verstrichen) absinkt, wird der erste Transistor 25 wieder eingeschaltet, um dadurch die Stromstärke zu steigern. Wenn die Stromstärke auf den Einstellwert zunimmt, erfolgt die oben erläuterte Steuerung für den ersten Transistor 25 und den vier­ ten Transistor 28. Dieser Zerhackerbetrieb wird mit einer Teilungszeit geregelt, indem man die Steuerung in mehreren Zeiträumen wiederholt.

Eine durch den oben geschilderten Steuervorgang erhaltene Stromwellen­ form ist in Fig. 3 dargestellt. Indem man diese Steuerung zu jeweiligen Teil-Zeiten wiederholt, erhält der Erregerstrom einen glatten Verlauf mit unterdrückten Verzerrungen oder Welligkeiten des Stroms, so daß es möglich wird, die Entstehung von Wärme in dem Schrittmotor 1 zu beherrschen und auch den Leistungsverlust des Schrittmotors 1 klein zu halten. Hierdurch wird eine Reduzierung des Drehmoments vermieden, und die Drehung des Rotors 7 des Schrittmotors 1 wird rund und zeigt keine Vibrationen oder Schwankungen. Das Einschalten und Ausschalten des Transistors erfolgt jeweils mit Hilfe einer in der Steuerschaltung 14 enthaltenen CPU.

Als nächstes soll eine zweite Ausführungsform der Erfindung erläutert werden. Diese zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der oben erläuterten ersten Ausführungsform durch den Umstand, daß als Erreger­ strom eine zerhackte Stromwelle eingesetzt wird, die jeder Phase einer Mikroschrittansteuerung im unteren Drehzahlbereich zugeführt wird.

Die Wellenformen der an das Motortreiber-IC 10 gegebenen Referenz­ spannung und die Erregerströme für die jeweiligen Spulen 8 und 9 bei einer solchen Steuerung sind in den Fig. 4 und 5 dargestellt. Fig. 4A zeigt die Referenzspannung entsprechend der ersten Spule 8A, die der Phase A und der Phase C entspricht, wobei die Referenzspannung dem Motortreiber-IC 10 zugeführt wird, Fig. 4B zeigt die Referenzspannung entsprechend der zweiten Spule 9 für die Phase B und die Phase D. Weiterhin zeigt Fig. 5A den Erregerstrom, der in die erste Spule 8 basierend auf der Referenzspannung gemäß Fig. 4A eingespeist wird, und Fig. 4B zeigt den Erregerstrom, der in die zweite Spule 9 basierend auf der in Fig. 4B dargestellten Referenzspannung eingespeist wird. Wie aus diesen Figuren ersichtlich ist, ist es dadurch, daß man die Wellen­ form der an das Motortreiber-IC 10 gelieferten Referenzspannung zu einer zerhackten Welle mit geradlinigem Anstieg oder Abstieg formt, möglich, die Erregerströme für die erste Spule 8 und die zweite Spule 9 ebenfalls zu einer zerhackten Welle zu gestalten, die geradlinig ansteigt oder abfällt. In Fig. 6 ist außerdem graphisch als Vergrößerung von Fig. SC die Summe aus den jeweiligen Erregerströmen für die erste Spule 8 und die zweite Spule 9 dargestellt. Wie aus diesen Diagrammen ersicht­ lich ist, wird der Summenstrom aus den Erregerströmen für die erste Spule 8 und die zweite Spule 9 konstant. In anderen Worten: es wird keine Stromsummenwelligkeit erzeugt.

Weil dementsprechend auch keine Drehmomentwelligkeit oder keine Drehmomentschwankungen entstehen, läßt sich das Vibrieren des Schrittmotors 1 noch wirksamer beherrschen.

Als nächstes wird eine dritte Ausführungsform der Erfindung anhand der Fig. 7 und 8 vorgestellt.

Bei dieser Ausführungsform wird ein Vorstrom eingespeist, wenn der Erregerstrom in einer Mikroschrittansteuerung gemäß der oben beschrie­ benen zweiten Ausführungsform an die erste Spule 8 und die zweite Spule 9 gegeben wird. Anlegen einer Vorspannung bzw. Einspeisen eines Vorstroms bedeutet, daß der Nulldurchgangspunkt der Spannung zur Plusseite oder zur Minusseite hin versetzt wird, indem man eine Gleichspannung auf die Wechselspannung gibt, bzw. daß der Nulldurch­ gangspunkt des Stroms in Richtung Plus- oder Minusseite verlagert wird, indem ein Gleichstrom auf einen Wechselstrom gegeben wird, um einen vorbestimmten Betriebspunkt einzustellen.

Es sei angenommen, daß zum Beaufschlagen des Erregerstroms mit einem Vorstrom auf die Referenzspannung für das Motortreiber-IC 10 eine Referenzspannung aufgebracht wird, wie dies in Fig. 7 darstellt ist.

Fig. 7A und 7B zeigen Referenzspannungs-Wellenformen des Motortrei­ ber-IC 10 entsprechend der ersten Spule 8 und der zweiten Spule 9, und sie zeigen außerdem, daß auf die in Fig. 2 gezeigte Referenzspannung eine Vorspannung aufgebracht ist. Damit ist gemäß Fig. 8A und 8B auch ein Vorstrom für die Erregerströme gegeben, die in die erste Spule 8 und die zweite Spule 9 eingespeist werden, und wenn diese Erreger­ ströme summiert werden, wird die Stromsumme konstant, ohne daß eine Stromsummenwelligkeit entsteht, wie aus Fig. 8C hervorgeht.

Wenn also der Erregerstrom mit Vorstrom aufgebracht wird, verbessert sich der Vibrationspegel des Schrittmotors 1, und man erzielt eine ver­ besserte und stabilisierte Drehsteuerung.

Die Erfindung ist nicht auf die oben erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern kann in zahlreicher Weise modifiziert werden, je nach dem, wie es die Umstände erfordern.

Das Mikroschritt-Ansteuern wird z. B. so gesteuert, daß sie während der Zeit der Drehung mit niedriger Drehzahl erfolgt. Allerdings läßt sich auch bei Drehung mit hoher Drehzahl ein beträchtlicher Effekt bei der Vibrations-Vermeidung und dergleichen in dem Beschleunigungsbereich erzielen, wenn die Mikroschrittansteuerung in dem oben erläuterten Konstantstrom-Zerhackersystem eingesetzt wird.

Ein ähnlicher Effekt wird nicht nur in einem System mit 2-2-Phasen-Erregung erreicht, sondern auch im Fall einer 1-2-Phasen-Erregung.

Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, läßt sich ein hervorragen­ der Verbesserungseinfluß für die Vibration beim Mikroschritt-Ansteuern erreichen, ohne daß hierzu eine komplexe Steuerschaltung erforderlich wäre.

Claims (4)

1. Verfahren zum Treiben eines Schrittmotors, bei dem ein Stator (6) mit mehreren mit Spulen (8, 9) bewickelten Phasen um einen Rotor (7) herum angeordnet ist, wobei eine elektromagnetische Anzie­ hungs- oder Abstoßungskraft zwischen Stator und Rotor erzeugt wird, indem in die Spulen (8, 9) ein Erregerstrom eingespeist wird, und die elektromagnetische Kraft durch sukzessives Umschalten der Erregerströme für die jeweiligen Phasen umgeschaltet wird, um dadurch den Rotor zu drehen, dadurch gekennzeichnet, daß der Erregerstrom im Niederfrequenz- Beschleunigungs/Verzögerungs-Bereich während der Drehung des Motors mit niedriger Drehzahl und während der Zeit der Drehung mit hoher Drehzahl des Motors mittels Mikroschritt-Ansteuerung gesteuert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Ansteuerung mittels eines normalen Erregungssystems im Hochfrequenz-Beschleunigungs/Ver­ zögerungs-Bereich und im Bereich konstanter Drehzahl erfolgt, wenn der Motor mit hoher Drehzahl dreht.

3. Verfahren zum Treiben eines Schrittmotors, bei dem ein Stator (6) mit mehreren mit Spulen (8, 9) bewickelten Phasen um einen Rotor (7) herum angeordnet ist, wobei eine elektromagnetische Anzie­ hungs- oder Abstoßungskraft zwischen Stator und Rotor erzeugt wird, indem in die Spulen (8, 9) ein Erregerstrom eingespeist wird, und die elektromagnetische Kraft durch sukzessives Umschalten der Erregerströme für die jeweiligen Phasen umgeschaltet wird, um dadurch den Rotor zu drehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des Erregerstroms mit Mikroschrittansteuerung erfolgt, und daß während der Zeit der Drehung des Motors mit niedriger Drehzahl der Erregerstrom als zerhackte Stromwelle gebildet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Erregerstrom dem Motor mit einem Vorstrom zugeführt wird.