DE3750144T2

DE3750144T2 - Schrittmotor-Antriebssequenzen.

Info

Publication number: DE3750144T2
Application number: DE3750144T
Authority: DE
Inventors: Roger M Gray
Original assignee: Archive Corp
Current assignee: Certance LLC
Priority date: 1986-04-23
Filing date: 1987-04-22
Publication date: 1995-02-02
Anticipated expiration: 2007-04-23
Also published as: EP0244150A2; EP0244150B1; EP0244150A3; DE3750144D1; JPS6366717A; US4717866A; JP2580161B2

Description

Die Erfindung betrifft im allgemeinen ein Verfahren zum Antrieb eines Schrittmotors und insbesondere das genaue Positionieren des magnetischen Lese/Schreib-Kopfes in einer Streamer-Kassetten-Bandantriebsvorrichtung unter Verwendung eines Schrittmotors.
Streamer-Kassetten-Bandantriebsvorrichtungen werden in Computersystemen verwendet, um digitale Daten auf einem Magnetband zu speichern. Die Daten werden auf dem Magnetband seriell entlang einer Mehrzahl von im wesentlichen parallelen Datenspuren aufgezeichnet, die entlang der Länge des Bandes verlaufen. Wenn eine Spur vollständig ausgelesen ist oder wenn eine Spur vollgeschrieben ist, wird die Richtung des Bandes umgekehrt und wird aus einer anderen Datenspur in der entgegengesetzten Richtung ausgelesen oder in diese Datenspur eingelesen. Diese Möglichkeit der Bewegung des Bandes in zwei Richtungen über den Magnetkopf macht es nicht erforderlich, daß das Band nach jedem Zugriff zu einer Spur zurückgewickelt wird. Die Aufzeichnung von Daten in der Vorwärts- und Rückwärtsrichtung entlang einer einzelnen Datenspur einer Mehrzahl von Datenspuren jeweils zu einer Zeit ist als "Serpentinen"-Aufzeichnung bekannt.
Das in Streamer-Kassettensystemen verwendete Magnetband ist üblicherweise 1/4 inch breit und kann eine Länge von bis zu 450 Fuß aufweisen. Es können 20 parallele Datenspuren zwischen den Kanten des 1/4 inch-Bandes vorgesehen sein. Um einen Zugriff zu jeder dieser Spuren zum Lesen oder Schreiben von Daten zu erhalten, muß der magnetische Lese/Schreib-Kopf genau über jeder Spur positioniert werden. Wenn der magnetische Kopf nicht genau über der richtigen Datenspur positioniert wird, können Fehler bei der Datenübertragung durch Auslesen von Daten aus der falschen Spur oder durch Einschreiben von Daten auf die falsche Spur eintreten, die zu einem Datenverlust führen können.
Die Anforderungen der genauen Positionierung werden durch Verwendung eines Schrittmotors erfüllt. Wenn er einer diskreten Anzahl von elektrischen Erregungen unterworfen wird, dreht sich ein Schrittmotor um genaue Winkelinkremente, ein Inkrement bei jeder Erregung. Wenn der Motor an den magnetischen Lese/Schreib-Kopf über herkömmliche Einrichtungen zur Umsetzung der Winkelverschiebung des Motors in eine lineare Verschiebung, wie beispielsweise über eine Verstellschraubenspindel, gekoppelt ist, kann die Position des magnetischen Kopfes genau gesteuert werden.
Es bestehen in dem Bandantriebssystem strenge Anforderungen an die Zeit, in der der magnetische Kopf von einer Position zu einer anderen Position bewegt werden muß. Manche dieser Kopfbewegungen sind kurz, wobei nur gefordert wird, daß sich der Schrittmotor um einen einzigen Schritt dreht. Es wird auch gefordert, daß der Kopf eine Strecke lang bewegt wird, die vielen Schritten des Motors äquivalent ist. Bei diesem letzteren Betrieb dreht sich der Motor ununterbrochen über viele Schritte, wobei er nur gestoppt wird, wenn die Endposition erreicht ist. Diese Betriebsart wird mit "Schwenken" bezeichnet.
Der Schrittmotor wird im Schwenkbetrieb betrieben, wenn der Kopf von einer Datenspur zu einer anderen Datenspur bewegt werden muß, weil die Entfernung zwischen den Datenspuren vielen Schritten des Motors äquivalent ist. Es ist vorteilhaft, daß der Motor so schnell wie möglich geschwenkt wird, ohne daß die Positioniergenauigkeit verloren geht.
In der Vergangenheit wurden mehrere Verfahren zur Verbesserung der Funktion eines Schrittmotors beim Schwenkbetrieb verwendet. Eines dieser Verfahren beinhaltet das schnelle Hochziehen der Geschwindigkeit des Schrittmotors bis zu seiner Schwenkfrequenz, das Laufen des Motors bei der Schwenkfrequenz während einer vorbestimmten Zeitperiode und das schnelle Nachuntenziehen der Geschwindigkeit, bis der Motor zum Stillstand kommt. Zur Erzeugung dieser "Rampen" muß eine Reihe von Erregungen an den Motor übertragen werden, die sich durch sich ändernde Zeitperioden voneinander unterscheiden. Beispielsweise muß während der Anstiegsperiode die Zeitperiode zwischen der ersten und zweiten Erregung 14 ms betragen, während die Zeitperiode zwischen der zweiten und dritten Erregung 12 ms und die Periode zwischen der dritten und vierten Erregung 10 ms usw. beträgt usw . . Eine solche Erregungsfolge wird als "Rampenprofil" bezeichnet. Wenn die Schwenkfrequenz erreicht ist, wird der Motor mit einer konstanten Rate erregt.
Dieses Verfahren zum Schwenken eines Schrittmotors weist mehrere Nachteile auf. Erstens macht die Erregung des Motors zu sich ändernden Zeitintervallen während der Rampenperioden die Steuerschaltung unnötig kompliziert. Außerdem müssen in einigen Fällen unterschiedliche Rampenprofile in Abhängigkeit davon, wieviele Schritte erforderlich sind, verwendet werden. Die Speicherung vieler Rampenprofile kann daher erforderlich sein. Zweitens besteht ein Nachteil dieses Verfahrens darin, daß die Schwenkfrequenz durch dem Motor von Natur aus anhaftende Resonanzeffekte begrenzt ist. Als Ergebnis führt dieses Verfahren der Erregung des Motors zu einer unnötig niedrigen Grenze der Schwenkfrequenz, die in einigen Anwendungsfällen von den Orten der Lastresonanz abhängt.
Bei einer geringfügigen Abänderung des Rampenverfahrens gelangt während des letzten Schrittes einer Reihe von Schritten das Umkehrphasen zur Anwendung. Dieses Umkehrphasen beim Endschritt beim Schwenkbetrieb besteht darin, eine Reihe von abwechselnden Vorwärts- und Rückwärtsphasen an dem Motor anzulegen. Die sich abwechselnden Umkehrphasen wirken auf den Motor wie eine Bremse. Dadurch wird die Zeit verringert, die der Rotor braucht, um beim Stoppen seine Endposition einzunehmen. Jeder der dem Endschritt vorangehenden Schritte wird dadurch erzeugt, daß eine aus einer einzigen Vorwärtsphase bestehende Erregung angelegt wird. Das Anlegen einer Rückwärtsphase wird bei diesem Verfahren nur für den letzten Schritt in einer Reihe von Schritten angewendet.
Während die Zeit, die der Motor benötigt, um seine Endposition einzunehmen, verringert wird, weist dieses modifizierte Rampenverfahren zur Erregung des Motors die oben beschriebenen Nachteile auf, die darin bestehen, daß mehrere Rampenprofile erforderlich sind und daß die Grenze der Schwenkfrequenz unnötig tief ist.
Der Motor muß auch in der Lage sein, sich einen einzigen Schritt zu bewegen und schnell zur Ruhe zu gelangen. Ein Verfahren, bei dem der Motor im Einschritt-Betrieb betrieben werden muß, wird aufgerufen bevor Daten auf das Band geschrieben werden. Das Schreiben von Daten auf das Band macht es erforderlich, daß der magnetische Kopf zuerst den Rand des Bandes findet und dann die erste Datenspur beschreibt, die sich in einer vorbestimmten Entfernung von diesem Rand befindet. Um den Rand des Bandes zu finden, wird der magnetische Kopf zuerst an einem vorbestimmten Startpunkt positioniert. Eine einzige Erregung wird dann an den Schrittmotor übertragen, um zu bewirken, daß er sich über ein Winkelinkrement oder um einen Schritt dreht, wodurch der Kopf um eine feste Entfernung bewegt wird, die beispielsweise ein 1/1000 inch betragen kann. Nachdem der Schritt vervollständigt ist, wird eine Prüfung auf den Rand des Bandes ausgeführt. Wenn der Rand gefunden wird, kann der Kopf die vorbestimmte Entfernung zur ersten Spur bewegt werden. Wenn der Rand nicht gefunden wird, wird der Motor einen weiteren Schritt bewegt und die Prüfung nach dem Rand des Bandes wird wiederholt.
Infolge von Herstellungstoleranzen und einer seitlichen Bewegung des Bandes können viele einzige Schritte des Motors erforderlich sein, bevor der Rand des Bandes aufgefunden wird. Dies würde kein Problem bedeuten, wenn jeder einzige Schritt schnell ausgeführt werden könnte. Herkömmliche Schrittmotoren, die ein schwingendes Ansprechen auf einen einzigen Schritt aufweisen, benötigen jedoch nach der Ausführung eines jeden Schrittes eine bestimmte Beruhigungszeit. Da die Prüfung nach dem Rand des Bandes nicht ausgeführt werden kann, bis die Schwingungen des Motors beendet sind, wird Zeit zum Abwarten des Ausschwingens verbraucht.
Es wird ein anderes Verfahren verwendet, um die erste Datenspur vor dem Auslesen eines Magnetbandes zu finden, das zuvor beschrieben wurde. Anstatt nach dem Rand des Bandes zu schauen, sucht der magnetische Kopf nach einem Bezugsburst einer festen Länge, der zwischen dem Bandanfang und dem Anfang der Datenspuren liegt und zur ersten zu beschreibenden Datenspur ausgerichtet ist. Bei diesem Verfahren wird der magnetische Kopf um einen einzigen Schritt in Vorwärtsrichtung bewegt und wird dann der Bereich des Bandes zwischen dem Bandanfang und dem Beginn der Datenspuren ausgelesen, bis der Referenzburst gefunden ist. Da dieser Bereich des Bandes vor dem Beginn der Datenspuren relativ kurz ist, muß das Band zurückgespult werden, wenn der Bezugsburst nicht zur Zeit gefunden wurde, zu der der magnetische Kopf den Beginn der Datenspuren erreicht. Das Zurückspulen des Bandes von einem Punkt, der kurz hinter dem Anfang der Datenspuren liegt, zu seinem Anfang erfordert eine beträchtliche Zeit. Es ist daher vorteilhaft, so viel wie möglich Prüfungen nach dem Referenzburst auszuführen, ehe es erforderlich wird, das Band zurückzuspulen. Da der magnetische Kopf den Referenzburst nicht wirksam auslesen kann, bevor der Kopf nach jedem Schritt nicht mehr schwingt, tragen die Schwingungsperioden wegen der Zeit, die zum Abklingen der Schwingungen erforderlich ist, wie auch die Extrazeit zum Zurückspulen des Bandes zu einer unerwünschten langen Verzögerung beim Auffinden des Referenzbursts bei.
Ein Versuch zur Lösung dieses Problems einer unerwünschten langen Schwingungsperiode nach einem einzigen Schritt eines Schrittmotors wurde unternommen. Das Ansprechen eines Schrittmotors auf einen einzigen Schritt wurde durch eine Technik verkürzt, die als "Umkehrphasendämpfung" bezeichnet wird. Diese Technik beinhaltet das einmalige Anlegen einer Umkehrphase an den Schrittmotor, um den Rotor während des letzten Bereiches des Schrittes zu bremsen. Wenn die Endposition erreicht ist, wird die Vorwärtsphase wieder eingeschaltet.
Während diese Technik dazu führt, das Ansprechen des Motors bei einem einzigen Schritt zu verkürzen, kann ihre Anwendung in einem System mit vom Motor aus gesehenen beträchtlichen Laständerungen Probleme bewirken. Wenn bei der Anwendung der Umkehrphasendämpfung die Zeit, zu der die Umkehrphase aktiviert wird, zu früh ist, neigt der Schrittmotor dazu, zu seiner Startposition zurückzukehren. Wenn die letzte Vorwärtsphase nachfolgend eingeschaltet wird, schwingt der Motor in einer Weise, die seinem ungedämpften Ansprechverhalten bei der Erregung zu einem Schritt ähnelt. Wenn die Umkehrphase zu spät aktiviert wird, führt der Schrittmotor unerwünschte Schwingungen um seine letzte Ruheposition aus.
Wenn beträchtliche Laständerungen im System vorliegen und wenn nicht die Zeit, zu der die Umkehrphase aktiviert wird, in Abhängigkeit von der Last verändert wird, werden einige dieser Umkehrphasen zu früh und einige zu spät aktiviert. Wenn beispielsweise die vom Motor aus gesehene Last vom vorangehenden Schritt aus zunimmt, wird die Zeit, zu der die Umkehrphase aktiviert wird, zu früh sein und der Motor hat keine ausreichend große Trägheitskraft, den nächsten Schritt zu erreichen, wenn die Umkehrphase aktiviert wird. Als Ergebnis neigt der Motor dazu, zu seiner Startposition zurückzukehren. Wenn die letzte Vorwärtsphase nachfolgend eingeschaltet wird, schwingt der Motor in einer Art ähnlich seinem ungedämpften Ansprechverhalten bei einem Schritt.
Während diese Probleme mit einem System mit einer geschlossenen Rückkopplungsschleife überwunden werden können, das ununterbrochen die Position des Rotors im Schrittmotor erfühlt, würde die Hinzufügung eines solchen Systems zur Vergrößerung der Kosten und der Kompliziertheit beitragen.
In der US-A-4 600 868 ist eine Steuereinrichtung mit einer offenen Schleife für einen Schrittmotor für eine Platten-Antriebs-Betätigungsvorrichtung beschrieben. Die Steuereinrichtung ist so programmiert, daß sie Impulsbreiten-modulierte Steuerspannungen zum Erregen und Entregen von sukzessiven Phasen des Schrittmotors bei gesteuerten Raten während der Anfangs- und Endphase nur bei jeder Suche der Betätigungsvorrichtung liefert. Dadurch werden die Beschleunigungs- und Bremsprofile der Betätigungsvorrichtung gesteuert, um ihre Mittenfrequenzresonanz zu verringern, die Zeit zu setzen und die Hysterese zu positionieren. Diese Schrift repräsentiert den Oberbegriff des Patentanspruches 1.
In der US-A-4 313 143 ist ein Kopf-Positioniermechanismus für einen Daten-Kassettenrekorder mit mehreren Spuren beschrieben, der einen Schrittmotor, eine Verstellschraubenspindel und eine Schraubenspindel/Folgeanordnung zur schrittweisen Bewegung eines Aufzeichnungs/Wiedergabe-Kopfes quer zum Weg des magnetischen Aufzeichnungsbandes enthält, um eine genaue Positionierung des Kopfes an irgendeiner vorgegebenen Spur quer zum Band zu ermöglichen.
Eine erfindungsgemäße Einrichtung ist in dem beigefügten Patentanspruch 1 offenbart.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist in dem beigefügten Patentanspruch 9 offenbart.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt einen Schnitt des in Verbindung mit einer Kassetten-Antriebsvorrichtung verwendeten magnetischen Bandes;
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung mit einem magnetischen Lese/Schreib- Kopf und einem Motor, die in einer Kassetten- Bandantriebsvorrichtung verwendet wird;
Fig. 3a zeigt eine schematische Darstellung eines Vierphasenschrittmotors, dessen Rotor sich in einer ersten Position befindet;
Fig. 3b zeigt eine schematische Darstellung des Schrittmotors der Fig. 3a, wobei sich der Rotor in einer zweiten Position befindet;
Fig. 3c zeigt eine schematische Darstellung des Schrittmotors, wobei sich der Rotor in einer dritten Position befindet;
Fig. 3d zeigt eine schematische Darstellung des Schrittmotors, wobei sich der Rotor in der vierten Position befindet;
Fig. 3e zeigt eine schematische Darstellung des Schrittmotors, wobei sich der Rotor in der ersten Position befindet;
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung des in den Fig. 3a bis 3e gezeigten Schrittmotors;
Fig. 5a zeigt eine typische Erregung eines einzelnen Schrittes für einen Schrittmotor;
Fig. 5b zeigt das ungedämpfte Schwingungsverhalten eines Schrittmotors bei einem einzigen Schritt;
Fig. 6a zeigt eine Erregungsfolge eines Schrittmotors im Betrieb für einen einzigen Schritt in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6b zeigt ein gedämpftes Ansprechen bei einem einzigen Schritt eines Schrittmotors gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7 zeigt eine Erregungsfolge, die verwendet wird, um einen bipolaren Schrittmotor im Schwenkbetrieb in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zu betreiben und
Fig. 8 zeigt eine Erregungsfolge, die verwendet wird, um einen unipolaren Schrittmotor im Schwenkbetrieb in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zu betreiben.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Die Fig. 2 zeigt eine Anordnung 16 mit einem magnetischen Lese/Schreib-Kopf und einem Schrittmotor, die in einem Streamer-Kassetten-Bandantrieb verwendet wird. Die Anordnung 16 weist einen magnetischen Lese/Schreib-Kopf 20, eine Kopplungseinrichtung 36, eine Verstellschraubenspindel 40, ein Ringteil 42 und einen Schrittmotor 60 auf. Der Magnetkopf 20 ist an die Verstellschraubenspindel 40 so gekoppelt, daß die vertikale Position des Kopfes durch die Drehung der Schraube eingestellt werden kann, wobei die Schraube durch den Schrittmotor 60 gesteuert wird. Der Bereich der Verstellschraubenspindel 40 zwischen dem Ringteil 42 und dem Motor 60 verläuft durch eine Basisplatte 44, die mit der Bandantriebsvorrichtung verbunden ist.
Die Basisplatte 44 wird als ein mechanischer Anschlag oder Referenzpunkt verwendet, von der aus eine Vielzahl von Kopfpositionen in der Form einer Anzahl von diskreten Schritten des Schrittmotors 60 gemessen werden können. Die Basisplatte 44 wirkt mit dem Ringteil 42 zusammen, um diese Fähigkeit zu erreichen. Das Ringteil 42 ist in Bezug auf die Verstellschraubenspindel 40 festgelegt und dreht sich mit dieser. Es kann angenommen werden, daß sich der Kopf 20 an seinem Referenzpunkt oder "Zuhause" befindet, wenn die Bodenfläche des Ringteiles 42 sich in der gleichen Höhe wie die Basisplatte 44 befindet.
Jeder Schritt oder jede Winkeldrehung des Schrittmotors 60 bewirkt, daß die Verstellschraubenspindel 40 den Kopf um einen festen Betrag in Abhängigkeit von der Drehrichtung anhebt oder absenkt. Es können daher Entfernungen in der Form von Schrittanzahlen gemessen werden. Die Entfernung, um die sich der Kopf 20 pro Schritt bewegt, hängt von dem besonderen Schrittmotor, der Verstellschraubenspindel und der verwendeten Mechanismus für die Kopfkopplung ab. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Kopf 20 pro Schritt um 1/1000 inch bewegt.
Wenn bekannt ist, daß ein besonderer Ort eine bestimmte Entfernung von "Zuhause" liegt, kann dieser Ort dadurch erreicht werden, daß der Kopf 20 zuerst zur "Zuhause"- Position bewegt wird und daß dann der Schrittmotor um eine Anzahl von Schritten entsprechend der Entfernung von der "Zuhause"-Position bewegt wird. Alternativ kann die Bandantriebsvorrichtung die Spur der gegenwärtigen Schrittposition halten und eine gewünschte Position dadurch finden, daß sie die Differenz der Anzahl der Schritte zwischen der gewünschten Position und der gegenwärtigen Position berechnet.
Weil ein beträchtlicher Betrag eines Lagespiels des Kopfes 20 in Bezug auf die Stellschraubenspindel 40 vorliegen kann, drücken ein Paar von Auslegerfedern (nicht dargestellt) den Kopf 20 in Richtung auf den Schrittmotor 60. Eine unerwünschte Nebenwirkung der Verwendung der Auslegerfedern besteht in einem beträchtlichen Betrag einer vom Schrittmotor 60 aus gesehenen Laständerung, wenn der Kopf 20 sich in unterschiedlichen Positionen befindet. Dies bedeutet, daß die vom Motor 60 aus gesehene Last sich als Funktion der vertikalen Position des Kopfes 20 ändert.
Der Magnetkopf 20 weist zwei Leseköpfe 24, 26, zwei Schreiköpfe 22, 28 und einen Löschkopf 30 auf. Wenn Daten durch den Kopf 20 auf dem Magnetband aufgezeichnet werden, werden diese Daten zuerst durch einen der Schreibköpfe 22, 28 eingeschrieben und nachfolgend durch einen der Leseköpfe 24, 26 ausgelesen, um die Integrität der neu eingeschriebenen Daten zu prüfen.
Das in Verbindung mit einer Streamer-Kassetten-Bandantriebsvorrichtung verwendete Magnetband weist eine Mehrzahl von im wesentlichen parallelen Datenspuren auf, die entlang seiner Länge verlaufen. Ein Bereich 10 eines solchen Bandes ist in der Fig. 1 dargestellt. Während das dargestellte Band 10 vier Datenspuren 12 besitzt, kann ein solches Magnetband zwischen seinen Rändern 20 Datenspuren besitzen. Die Daten werden auf dem Band seriell auf einer einzelnen Spur 12 aufgezeichnet. Wenn eine Spur vollständig ausgelesen ist oder wenn in eine Spur vollständig eingeschrieben wurde, wird die Richtung des Bandes umgekehrt und es wird in der entgegengesetzten Richtung aus einer anderen Datenspur ausgelesen oder in diese eingeschrieben. Durch diese Brauchbarkeit in beide Richtungen wird Zeit eingespart, die sonst durch das Zurückspulen des Bandes verlorengehen würde.
Der Magnetkopf weist zwei Leseköpfe 24, 26 und zwei Schreibköpfe 22, 28 für diesen Gebrauch in zwei Richtungen auf. Wenn das Magnetband über den Kopf 20 in der Fig. 2 von links nach rechts verläuft, kann in das Band durch den oberen Schreibkopf 22 eingeschrieben und nachfolgend aus dem Band durch den oberen Lesekopf 26 ausgelesen werden, um die Daten auf ihre Genauigkeit zu überprüfen. Wenn auf einer neuen Datenspur 12 aufgezeichnet werden soll und das Band über den Kopf 20 in der entgegengesetzten Richtung von rechts nach links verläuft, kann der untere Schreibkopf 28 Daten auf das Band schreiben, während der Lesekopf 24 nachfolgend auf Genauigkeit prüft.
Der in der Anordnung 16 verwendete Schrittmotor kann irgendein herkömmlicher Schrittmotor sein. Der besondere, tatsächlich verwendete Schrittmotor ist ein zweistapeliger Vierphasenschrittmotor mit einem Permanentmagneten mit 12 Polen an jedem Stapel zur Bildung von insgesamt 24 Polen. Bei irgendeinem Schrittmotor wird der Winkel, um den sich der Rotor bei einem einzigen Schritt dreht, durch die Anzahl der Pole an dem Rotor und dem Stator bestimmt. Der oben beschriebene besondere Schrittmotor dreht sich pro Schritt um 15º.
Zum Zwecke der Klarheit wird die Arbeitsweise eines Schrittmotors in Verbindung mit einem Vierphasenmotor erläutert, der vier Pole an dem Stator und zwei Pole an dem Rotor aufweist. Genau dieselbe Erregungsfolge, die hier beschrieben wird, kann zum Antrieb entweder eines vierpoligen Motors oder des tatsächlich verwendeten 24- poligen Motors verwendet werden, weil beides Vierphasenmotore sind. Der einzige Unterschied, der sich ergibt, ist, daß der 24-polige Motor pro Schritt um 15º dreht, während sich der 4-polige Motor pro Schritt um 90º dreht.
Die Arbeitsweise eines Schrittmotors kann unter Bezugnahme auf die Fig. 3a bis 3e erläutert werden. Wie dies die Fig. 3a zeigt, weist der Schrittmotor einen Stator 62, eine Achse 70 und einen Rotor 64 auf, der die Drehung der Achse 70 bewirkt, die wiederum die Verstellschraubenspindel 40 antreibt. Die Position des Rotors 64, der ein Permanentmagnet mit einem Nordpol 66 und einem Südpol 68 ist, wird durch die Erzeugung von magnetischen Feldern in vier Polen 80, 82, 84 und 86 erzeugt. Eine Länge eines Drahtes ist um die Pole 80, 84 an dem oberen und dem unteren Bereich des Stators jeweils gewickelt, so daß eine Wicklung 74 gebildet wird. Eine andere Länge eines Drahtes ist um die Pole 82 und 86 an der rechten und linken Seite des Stators jeweils gewickelt, so daß eine Wicklung 76 gebildet wird. Wie dies die Fig. 3a zeigt, ist die Wicklung 74 entgegen dem Uhrzeigersinn um die Pole 80, 84 ausgehend vom unteren Bereich zum oberen Bereich gewickelt. Die Wicklung 76 ist entgegen dem Uhrzeigersinn um die Pole 82 und 86 von links nach rechts gewickelt. Wenn Ströme in die Wicklungen 74 und 76 eingegeben werden, werden magnetische Felder in den Polen am Stator 62 erzeugt, wobei die Richtung jedes Magnetfelds von der Richtung des Stromes abhängt.
Beispielsweise ist das Nordende des Rotors 64 in Fig. 3a direkt zwischen den Polen 80, 82 am Stator 62 angeordnet. Diese Rotorposition wird durch einen nach oben gerichteten Stromfluß in der Windung 74 und einen nach rechts gerichteten Strom in der Windung 76 bewirkt, wie dies durch die Pfeile angedeutet ist. Der nach oben gerichtete Stromfluß in der Windung 74 induziert ein magnetisches Südfeld am Pol 80 und der nach rechts gerichtete Strom in der Windung 76 induziert ein magnetisches Südfeld am Pol 82. Als Ergebnis wird das Nordende des Rotors 64 zur Vektorsumme dieser Südpole angezogen, die direkt zwischen den Polen 80, 82 liegt. Der Rotor 64 bleibt in dieser Position fest, solange die Ströme in den Windungen 74, 76 unverändert bleiben.
Wenn die Richtung des Stromes in der Wicklung 74 wirksam umgekehrt wird, dreht sich der Rotor um 90º im Uhrzeigersinn und kommt direkt zwischen den Polen 82, 84 zur Ruhe. Da der Strom in der Wicklung 76 unverändert bleibt, wirkt der Pol 82 noch als ein Südpol. Da jedoch der Strom in der Wicklung 74 nun nach unten fließt, wie dies durch den Pfeil angezeigt ist, wird ein magnetisches Südfeld in dem Pol 84 induziert. Als Ergebnis richtet der Rotor 84 sich selbst zur Vektorsumme dieser beiden Südpole 82, 84 aus.
Die Fig. 3c bis 3e zeigen die Rotorpositionen, wenn die Ströme durch die Wicklungen in der durch die Pfeile dargestellten Weise fließen. Der in der Fig. 3e dargestellte Rotor 64 ist zu seiner Ursprungsposition (Fig. 3a) nach einer Drehung um 360º zurückgekehrt.
Die Erzeugung der Ströme durch die Wicklung 74, 76 wird unter Bezugnahme auf die Fig. 4 erläutert, die ein schematisches Schaltbild des Schrittmotors und einer Steuerschaltung zeigt, die vier Transistoren 90, 92, 94, 96 aufweist. Ein Ende der Wicklung 74 ist mit dem Kollektor des Transistors 90 verbunden, während das andere Ende mit dem Transistor 92 verbunden ist. Die Emitter der Transistoren 90, 92 sind mit Erde verbunden und die Wicklung 74 weist einen Mittelabgriff auf, der mit einer Versorgungsspannung verbunden ist. Die Wicklung 76 ist ähnlich verbunden, wobei ihr oberes Ende mit dem Kollektor des Transistors 94 und ihr unteres Ende mit dem Kollektor des Transistors 96 verbunden ist. Die Emitter dieser beiden Transistoren 94, 96 sind ebenfalls mit Erde verbunden und die Wicklung 76 weist einen Mittelabgriff auf, der mit der Versorgungsspannung verbunden ist.
Während des Betriebes wird genau einer der mit der Wicklung 74 verbundenen Transistoren 90, 92 eingeschaltet, so daß er Strom leitet, und wird genau einer der Transistoren 94, 96 ebenfalls in den leitenden Zustand geschaltet. Wenn der Transistor 90 eingeschaltet ist und der Transistor 92 ausgeschaltet ist, fließt Strom von der Versorgungsspannung nach oben durch den oberen Bereich der Wicklung 74 und nach unten durch den Transistor 90 zur Erde. Wenn der Transistor 92 eingeschaltet und der Transistor 90 ausgeschaltet ist, fließt Strom von der Versorgungsspannung nach unten durch den unteren Bereich der Wicklung 74 und zur Erde durch den Transistor 92. In einer ähnlichen Weise fließt dann, wenn der Transistor 94 eingeschaltet ist und der Transistor 96 ausgeschaltet ist, ein nach oben gerichteter Strom durch den oberen Bereich der Wicklung 76. Wenn der Transistor 94 ausgeschaltet ist und der Transistor 96 eingeschaltet ist, wird ein Strom induziert, der nach unten durch den unteren Bereich der Wicklung 76 fließt.
Der obere Bereich der schematisch in der Fig. 4 dargestellten Wicklung 74 entspricht der Wicklung 74 um den Pol 80, der in der Fig. 3a gezeigt ist. Die untere schematisch dargestellte Wicklung 74 entspricht der Wicklung 74 um den Pol 84. Die obere schematische Wicklung 76 entspricht der Wicklung 76 um den Pol 82 und die untere schematisch dargestellte Wicklung 76 entspricht der Wicklung 76 um den Pol 86. Es entspricht daher ein nach oben gerichteter Stromfluß durch jede der schematisch in der Fig. 4 dargestellten Wicklungen 74, 76 dem Stromfluß in den Wicklungen 74, 76 in der Fig. 3a, wie dies durch die Pfeile dargestellt ist. Die folgende Tabelle zeigt vollständiger die Wechselbeziehungen zwischen den EIN/AUS-Schaltzuständen jedes der Transistoren 90, 92, 94, 96 und den sich ergebenden Positionen des Rotors 64 in den Fig. 3a bis 3e. TABELLE 1 Schritt Fig. EIN AUS
Wie die Tabelle 1 zeigt, müssen die Transistoren 94, 96, um den Rotor 64 von seiner in der Fig. 3a gezeigten Position zu seiner Position in Fig. 3b zu bewegen, jeweils ein- und ausgeschaltet bleiben und muß der Transistor 90 ausgeschaltet werden, während der Transistor 92 eingeschaltet werden muß. Sobald die Transistoren 90, 92 in ihre neuen Zustände geschaltet werden, beginnt der Rotor 64 sich in Richtung auf seine in der Fig. 3b gezeigte Position zu bewegen. Wenn er diese Position erreicht, neigt er jedoch dazu, um die Position zu schwingen, wobei er allmählich zur Ruhe kommt.
Die Fig. 5a zeigt eine Änderung der leitenden Zustände der Transistoren 90, 92, 94, 96 als Funktion der Zeit. Ein einfaches, einmaliges Schalten der Zustände der Transistoren 94, 96 in der durch die Linien 104, 106 gezeigten Weise, in der ein Schrittmotor typischerweise erregt wird, führt zum Schwingungsverhalten bei einem einzigen Schritt, wie dies in der Fig. 5b gezeigt ist. Das Schwingungsverhalten, das aus einer abwechselnden Reihe von allmählich abnehmenden "Überschwingern" und "Unterschwingern" besteht, braucht bis zu seinem Ausschwingen in der oben beschriebenen besonderen Anordnung 16 mit dem Magnetkopf und dem Motor etwa 100 ms.
Die Erfindung sieht eine neuartige Erregungsfolge für die Betriebsart eines Schrittmotors mit einzelnen Schritten vor, die es ermöglicht, daß die Beruhigungszeit des Schwingungsverhaltens bei einem einzelnen Schritt beträchtlich auf etwa 1/5 der normalen ungedämpften Beruhigungszeit verringert wird. Dies wird durch wiederholte Abwechslung der Vorwärts- und Rückwärtsphasen des Schrittmotors erreicht, wie dies in der Fig. 6a dargestellt ist. Anstatt den Transistor 94 einfach auszuschalten und den Transistor 96 einzuschalten, werden diese Transistoren wiederholt aus- und eingeschaltet, bevor sie auf ihre neuen leitenden Zustände gebracht werden. Das sich ergebende Ansprechen bei einem einzigen Schritt, das in Fig. 6b dargestellt ist, nähert sich dem kritisch gedämpften Ansprechen eines Schrittmotors an, wodurch bewirkt wird, daß die sich ergebende Beruhigungszeit beträchtlich verringert ist.
Die Zeiten, zu denen die Transistoren 94, 96 wiederholt geschaltet werden, hängt von einer Anzahl von Kriterien ab. Zum Zwecke der Diskussion der Fig. 6a wird die Vorwärtsphase als die Zeitperioden definiert, in denen der Transistor 94 ausgeschaltet ist und der Transistor 96 eingeschaltet ist, wie dies durch die Linien 114, 116 dargestellt ist und wird die Rückwärtsphase als die Zeitperioden definiert, in denen der Transistor 94 eingeschaltet und der Transistor 96 ausgeschaltet ist. Jede der Linien 114, 116 besteht daher aus einer Anzahl von abwechselnden Vorwärts- und Rückwärtsphasen. Es wird darauf hingewiesen, daß im allgemeinen jede Vorwärtsphase den Rotor 64 in Richtung auf seinen Bestimmungsort zwingt, wohingegen jede Rückwärtsphase den Rotor in Richtung auf seinen Startpunkt zwingt. Da es erwünscht ist, den Rotor von seinem Startpunkt zu seinem Bestimmungsort zu bewegen, muß die Lange jeder abwechselnden Vorwärtsphase größer sein als diejenige jeder Rückwärtsphase. Zum Zwecke dieser Diskussion wird das Phasenverhältnis als das Verhältnis der Länge der Zeit der Vorwärtsphase zu derjenigen der Rückwärtsphase bestimmt. Das Phasenverhältnis sollte daher immer größer als Eins sein. In einer Ausführungsform der Erfindung dauert jede Vorwärtsphase 0,9 ms, während jede Rückwärtsphase 0,6 ms beträgt. Dies führt zu einem Phasenverhältnis von 1,5. Es wurde herausgefunden, daß ein Phasenverhältnis in dem Bereich von 1,25 bis 2,00 verwendet werden sollte, um das Ansprechverhalten eines Schrittmotors bei einem einzigen Schritt wirksam zu dämpfen. Außerdem muß die Dauer der Vorwärtsphase größer sein als die elektrische Zeitkonstante τ des Motors, wobei τ = L/R ist und L die Induktivität des Motors und R der Widerstand des Motors sind. Schließlich stellt die Anzahl der Zeiten, zu denen die Umkehrphase aktiviert wird, einen weiteren Faktor dar, der das Ansprechverhalten bei einem einzigen Schritt beeinträchtigt. Während die Linien 114, 116 in der Fig. 6a anzeigen, daß die Umkehrphase zweimal erregt wird, wird das Ansprechverhalten bei einem einzigen Schritt am effektivsten gedämpft, wenn die Umkehrphase zwei- bis achtmal erregt wird, bevor die letzte Vorwärtsphase erregt wird.
Ein anderes Merkmal der Erfindung umfaßt eine neue Erregungsfolge zum Antrieb eines Schrittmotors bei seinem Schwenkbetrieb. Diese Erregungsfolge beinhaltet die Verwendung sich abwechselnder Vorwärtsphasen und Rückwärtsphasen für jeden Schritt in einer vorbestimmten Anzahl von Schritten. Die Fig. 7 zeigt eine solche Erregungsfolge für drei Schritte eines bipolaren Motors. Ein bipolarer Motor, der zwei Drahtwicklungen haben kann, wird durch abwechselndes Umkehren des Stromflusses durch eine Wicklung zu einer Zeit gesteuert. Die Linien 130, 134 in Fig. 7 zeigen die Richtung A oder B des Stromflusses in jeder der Wicklungen 1 und 2 jeweils an, wobei die Richtung A in umgekehrter Richtung wie die Richtung B verläuft. Beim Schritt A entsprechen die Vorwärtsphasen dem Stromfluß in der Richtung A in der Wicklung 2, während die Rückwärtsphasen dem Stromfluß in der Richtung B der Wicklung 2 entsprechen.
In einem Schritt A der Fig. 7 wird an die Windung 2 eine anfängliche Vorwärtsphase von 1 ms, eine Rückwärtsphase von 0,4 ms, eine zweite Vorwärtsphase von 0,6 ms, eine zweite Rückwärtsphase von 0,4 ins und eine letzte Vorwärtsphase von 0,6 ms angelegt. Die Zeiten, während denen die Vorwärts- und Rückphasen für die Schritte B und C erregt werden, sind identisch wie diejenigen des Schrittes A. Obwohl die Fig. 7 zeigt, daß nur zwei Rückwärtsphasen bei jedem Schritt verwendet werden, können mehr Rückwärtsphasen verwendet werden. Das Kriterium zur Bestimmung der Anzahl und Dauer der Rückwärtsphasen im Schwenkbetrieb sind ähnlich denjenigen des Betriebes mit einem einzigen Schritt.
Die Fig. 8 zeigt eine ähnliche Erregungsfolge für einen unipolaren Motor. Bei einem solchen Motor wird nur eine Hälfte jeder Wicklung zu einer Zeit erregt. Da der in der Fig. 3a gezeigte Motor ein unipolarer Motor ist, fließt zu jeder Zeit ein Strom nur durch eine Hälfte der Wicklungen 74, 76. Beispielsweise zeigen die beiden Pfeile der Fig. 3a einen Stromfluß durch die obere Hälfte der Wicklung 74 und die rechte Hälfte der Wicklung 76. Wenn der Motor in Fig. 3a ein bipolarer Motor wäre, wurde der Strom durch beide Teile der Wicklungen 74, 76 zu allen Zeiten fließen. Ein unipolarer Motor wird verwendet, weil er eine einfachere Steuerschaltung ermöglicht. Die praktische Wirkung der Verwendung eines bipolaren Motors statt eines unipolaren Motors besteht darin, daß stärkere magnetische Felder erzeugt werden, was zu einer größeren Beschleunigung des Rotors führt.
Die Erregungsfolge der Fig. 8 berücksichtigt die in einem unipolaren Motor erzeugten schwächeren magnetischen Felder. Der Schritt D, der eine Fortbewegung eines Rotors entgegen dem Uhrzeigersinn von seiner Position in Fig. 3D zu derjenigen der Fig. 3c zeigt, folgt eine Verzögerung, die eine Extrazeitperiode ermöglicht, während der der Rotor seine Endposition wegen seiner kleineren Beschleunigung erreicht. Auf jeden Schritt in der Erregungsfolge folgt eine ähnliche Verzögerungsperiode.
Die Erregungsfolge für jeden Schritt der Fig. 8, die durch die Linien 140, 142, 144, 146 dargestellt ist, besteht aus einer Vorwärtsphase von 1,5 ins am Anfang, einer Rückwärtsphase von 0,6 ms, einer zweiten Vorwärtsphase von 0,9 ms, einer zweiten Rückwärtsphase von 0,6 ins und einer letzten Vorwärtsphase von 0,9 ms, die während einer Verzögerungsperiode von zusätzlichen 5,0 ms unverändert bleibt.
Die Verwendung der sich abwechselnden Vorwärts- und Rückwärtsphasen während jedes Schrittes, wenn der Motor im Schwenkbetrieb ist, ermöglicht, daß eine dramatisch vergrößerte Schwenkfrequenz erreicht wird. Beispielsweise weist die Erregungsfolge für jeden Schritt in Fig. 7 eine Dauer von 3,0 ms auf, was einer Schwenkfrequenz von 333 Hz entspricht. Wenn dieselbe Anordnung mit dem Motor und dem Kopf, wie sie in Fig. 7 verwendet wird, ohne diese neue Erregungsfolge angetrieben würde, würde die maximale befriedigende Schwenkfrequenz 100 Hz betragen, die mehr als dreimal langsamer ist.
Die Erregungsfolgen werden erfindungsgemäß durch eine Computersoftware-Subroutine erzeugt, die in einem Nur- Lesespeicher (ROM) gespeichert ist. Die Subroutine erzeugt die notwendigen Vorwärts- und Rückwärtserregungen für einen einzigen Schritt des Motors. Wenn daher der Motor im Betrieb mit einzelnen Schritten arbeitet, wird die Subroutine wiederholt, einmal für jeden Schritt, aufgerufen. Wenn eine Verzögerung zwischen jedem Schritt gefordert wird, wie dies im Falle eines unipolaren Motors zutrifft, wird die Verzögerung durch Verzögern des Aufrufens der Subroutine zwischen jedem Schritt erreicht.
Die Vorteile der Erfindung können unabhängig von dem besonderen Typ des verwendeten Schrittmotors erreicht werden. Während ein Motor mit einem Permanentmagnet offenbart ist, kann auch ein Motor mit einer variablen Reluktanz verwendet werden. Die Anzahl der Pole an dem Stator und dem Rotor des verwendeten besonderen Schrittmotors ist zum Erzielen der Vorteile der Erfindung nicht von Bedeutung. Während das offenbarte Verfahren das volle Fortschalten des Motors anwendet, kann im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung auch das halbe Fortschalten oder das Fortschalten in Mikroschritten angewendet werden.

Claims

1. Einrichtung zum Positionieren eines magnetischen Lese/Schreib-Kopfes (20) in einer Kassetten-Bandantriebsvorrichtung mit:

einem Magnetkopf (20),

einem Schrittmotor (60) mit einem Rotor (64),

einem an den Magnetkopf (20) und den Motor (60) gekoppelten Teil (40) zur Übertragung einer Winkelverschiebung des Rotors (64) in eine lineare Verschiebung des Magnetkopfes (20),

einem Kreis zur Erzeugung einer Rückwärtserregung durch Anlegen eines Spannungsimpulses an den Motor (60), welcher dazu neigt, zu bewirken, daß der Rotor (64) eine erste Position in dem Motor (60) belegt und zur Erzeugung einer Vorwärtserregung durch Anlegen eines Spannungspulses an den Motor (60), welcher dazu neigt, zu bewirken, daß der Rotor (64) eine zweite Position belegt, die winkelmäßig von der ersten Position durch einen einzigen Schritt entfernt ist, und

einem an den Kreis gekoppelten Antriebskreis, der bewirkt, daß der Rotor (64) sich um eine vorbestimmte Anzahl von Schritten bewegt, von denen jede durch Anlegen einer Folge der Spannungsimpulse an den Motor (60) erzeugt wird, wobei die Einrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß:

ein erster Impuls eine Drehkraft an den Rotor (64) in einer Vorwärtsrichtung anlegt,

ein zweiter Impuls eine Drehkraft an den Rotor (64) in einer Rückwärtsrichtung anlegt,

ein dritter Impuls eine Drehkraft an den Rotor (64) in einer Vorwärtsrichtung anlegt,

ein vierter Impuls eine Drehkraft an den Rotor (64) in einer Rückwärtsrichtung anlegt und

ein fünfter Impuls eine Drehkraft an den Rotor (64) in einer Vorwärtsrichtung anlegt,

und daß die Impulse einer Folge eine konstante Breite aufweisen und die Impulsbreite von eine Drehkraft an den Rotor (64) in einer Vorwärtsrichtung anlegenden Impulsen in einem Bereich von 1,25 bis 2 mal der Breite der eine Drehkraft an den Rotor (64) in einer Rückwärtsrichtung anlegenden Impulse ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, bei der der Schrittmotor (60) ein Zwei-Paket Vierphasen-Motor (60) ist, der vierundzwanzig Magnetpole aufweist, wodurch sich der Rotor (64) pro Schritt über einen Winkel von im wesentlichen 15º dreht.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, bei der das Verhältnis im wesentlichen 1,5 beträgt.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Anzahl der an dem Motor (60) während eines einzigen Schrittes angelegten Rückwärtserregungen in den Bereich von 2 bis 8 liegt.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der jede der Rückwärtserregungen im wesentlichen die gleiche Dauer aufweist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der eine vorbestimmte Verzögerung zwischen jedem Schritt in der vorbestimmten Anzahl der Schritte vorgesehen ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der jede der vorbestimmten Anzahl der Schritte durch dieselbe Folge von Erregungen erzeugt wird.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Folge der Spannungsimpulse in einer Reihe ausgeführt wird.

9. Verfahren zum Antrieb eines Schrittmotors (60) mit einer Mehrzahl von Schritten, die die folgenden Schritte beinhalten:

a. Erzeugen einer Rückwärtserregung, die dazu neigt, zu bewirken, daß der Rotor (64) des Schrittmotors (60) eine erste Winkelposition in dem Motor (60) einnimmt;

b. Erzeugen einer Vorwärtserregung, die dazu neigt, zu bewirken, daß der Rotor (64) eine zweite Winkelposition einnimmt, die winkelmäßig von der ersten Position durch einen einzigen Schritt beabstandet ist;

c. Bewirken, daß der Rotor (64) sich über eine vorbestimmte Anzahl von Schritten bewegt, von denen jeder durch Anlegen einer Folge von Spannungsimpulsen an den Motor (60) erzeugt wird, wobei das Verfahren durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist:

Erzeugen eines ersten Impulses zum Anlegen einer Drehkraft an den Rotor (64) in einer Vorwärtsrichtung,

Erzeugen eines zweiten Impulses zum Anlegen einer Drehkraft an den Rotor (64) in einer Rückwärtsrichtung,

Erzeugen eines dritten Impulses zum Anlegen einer Drehkraft an den Rotor (64) in einer Vorwärtsrichtung,

Erzeugen eines vierten Impulses zum Anlegen einer Drehkraft an den Rotor (64) in einer Rückwärtsrichtung und

Erzeugen eines fünften Impulses zum Anlegen einer Drehkraft an den Rotor (64) in einer Vorwärtsrichtung,

wobei die Impulse einer Folge eine konstante Breite aufweisen und die Impulsbreite von Impulsen, die eine Drehkraft an den Rotor (64) in einer Vorwärtsrichtung anlegen, in einem Bereich von 1,25 bis 2 mal der Breite der Impulse, die eine Drehkraft an den Rotor (64) in einer Rückwärtsrichtung anlegen, liegt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das Verhältnis im wesentlichen 1,5 ist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 10, bei dem die Anzahl der an den Motor (60) angelegten Rückwärtserregungen während eines einzigen Schrittes in dem Bereich von 2 bis 8 liegen.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei der jede der Rückwärtserregungen im wesentlichen die gleiche Dauer aufweist.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem zusätzlich der Schritt vorgesehen ist, bei dem eine vorbestimmte Verzögerung zwischen jedem Schritt in der vorbestimmten Anzahl der Schritte enthalten ist.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, bei dem jede der vorbestimmten Anzahl von Schritten durch die Folge der Erregungen erzeugt wird.