DE69802647T2

DE69802647T2 - Gleichstrommotor für einen geschlossenen Regelkreis

Info

Publication number: DE69802647T2
Application number: DE69802647T
Authority: DE
Inventors: Daniel Lander
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 1997-10-14
Filing date: 1998-09-21
Publication date: 2002-07-04
Anticipated expiration: 2018-09-22
Also published as: EP0910156B1; JPH11196592A; CN1099751C; DE69802647D1; US5955853A; CN1214566A; EP0910156A1

Description

Verwandte Anmeldungen

Dies ist eine Teilfortführungspatentanmeldung der gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung, Seriennr. 08/791,735, die am 31. Januar 1997 eingereicht wurde.

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Motoren und spezieller auf einen Gleichstrommotor, der ein zeitlich variierendes Signal für eine Rückkopplungssteuerung mit geschlossenem Regelkreis erzeugt.
Motorsteuersysteme können bei einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, einschließlich beispielsweise bei Computern, Druckmechanismen, Videorekordern (VCR - video cassette recorders), Automobilen und Stereoanlagen. Diese Anwendungen umfassen VCR-Kopf-Motoren, Spindelmotoren für Computerdisketten, Spindelmotoren für Compact Disks, Bandlaufwerk-Antriebsrollen für Bandlaufwerke und Automobilsitz-Positionierungsmotoren. Motorsteuersysteme können bei Druckmechanismen, beispielsweise zum Bewegen des Druckwagens, zum Bewegen des Druckmediums und zum Bewegen von Elementen der Tintenstrahldruckkopf-Wartungsstation, eingesetzt werden.
Bei derartigen Motorsteuersystemen können sowohl Schrittmotoren als auch Gleichstrommotoren eingesetzt werden. Schrittmotoren werden in der Regel bei einer Konfiguration mit offenem Regelkreis eingesetzt, bei der der Schrittmotor ein Befehlssignal empfängt, das eine Welle des Schrittmotors dazu bringt, sich in einer vorbestimmten Richtung um eine vorbestimmte Anzahl an Graden zu drehen. Das Befehlssignal kann in Form eines oder mehrerer Pulse von einem Mikroprozessor vorliegen, der programmiert ist, den einen oder die mehreren Pulse zu erzeugen, um die Welle des Schrittmotors in der vorbestimmten Richtung um die vorbestimmte Anzahl an Graden zu drehen, um eine spezifizierte Funktion (z. B. Betätigen einer Wartungsstation, um einen Tintenstrahldruckkopf abzudecken) durchzuführen. Die Polarität und/oder Phaseneinstellung von mehreren Signalen kann verwendet werden, um die Richtung der Drehung der Schrittmotorwelle zu steuern. Das System mit offenem Regelkreis ist auch fähig, die Position der Schrittmotorwelle zu verfolgen, indem es beispielsweise die ursprüngliche Wellenposition registriert und die Anzahl an bereits übertragenen Pulsen zählt. Das Schrittmotorsteuersystem mit offenem Regelkreis liefert eine genaue Motorsteuerung und -positionierung von gesteuerten Einrichtungen.
Gleichstrommotoren können sowohl bei einer Konfiguration mit offenem als auch mit geschlossenem Regelkreis verwendet werden. Bei einer Konfiguration mit offenem Regelkreis dreht sich eine Welle eines Gleichstrommotors so lange, wie ein Gleichspannungssteuersignal angelegt ist, und noch eine gewisse Zeit, nachdem das Signal entfernt wurde, bis die Trägheit der Drehwelle abgeschwächt ist. Die Drehrichtung der Welle des Gleichstrommotors wird durch die Polarität des Steuersignals gesteuert. Eine genaue Motorsteuerung und -positionierung von gesteuerten Einrichtungen ist bei solchen Gleichstrommotorsteuersystemen mit offenem Regelkreis schwierig, da die Welle sich nicht jedesmal, wenn ein Steuersignal angelegt ist, um einen vorbestimmten Betrag dreht, wie bei Schrittmotoren. Jedoch liegt ein Vorteil von Steuersystemen, die Gleichstrommotoren verwenden, darin, daß ein Steuersystem, das auf einem Gleichstrommotor basiert, Leistung effizienter nutzt und somit kostengünstiger zu betreiben ist als ein Schrittmotor mit einem offenen Regelkreis, da Leistung nicht unterbrochen wird, um die Gleichstrommotorwelle zu drehen, wie bei einem Schrittmotor. Gleichstrommotoren sind derzeit zudem kostengünstiger als Schrittmotoren.
Es wurden bereits diverse Lösungen angeboten, um dieses Positionierungsproblem anzugehen, einschließlich der Verwendung von Arretierungen und der Verwendung eines Gleichstrommotorsteuersystems mit geschlossenem Regelkreis. Arretierungen sind feste Strukturen, die in den Weg einer gesteuerten Einrichtung plaziert werden und die eine weitere Bewegung der Einrichtung in einer bestimmten Richtung verhindern. Gleichstrommotorsteuersysteme mit geschlossenem Regelkreis verwenden eine Rückkopplungseinrichtung, beispielsweise einen Codierer, einen Schalter oder einen Tachometer, um die tatsächliche Position einer Welle des Gleichstrommotors oder der gesteuerten Einrichtung zu verfolgen. Die tatsächliche Position wird zurückgekoppelt und mit der gewünschten Position verglichen. Ein etwaiger Unterschied zwischen den beiden wird dadurch korrigiert, daß ein weiteres Signal an den Motor gesandt wird, um die Welle zu drehen, bis sie die gesteuerte Einrichtung ordnungsgemäß positioniert. Diese Konstruktion liefert eine genaue Motorsteuerung und -positionierung von gesteuerten Einrichtungen, wobei sie im Vergleich mit Schrittmotorsteuersystemen mit offenem Regelkreis vorteilhaft abschneidet. Ein Nachteil derartiger Systeme mit geschlossenem Regelkreis besteht darin, daß diese Rückkopplungseinrichtungen aufwendig sind. Dieser zusätzliche Aufwand kann dazu führen, daß sich die Kosten dieses Gleichstrommotorsteuersystems mit geschlossenem Regelkreis an die eines Schrittmotorsteuersystems mit offenem Regelkreis annähern oder diese übersteigen.
In den Dokumenten DE-A-39 35 594, US-A-4594536 und DE-A- 19602362 sind diverse Lösungen gemäß dem oben beschriebenen Hintergrund offenbart.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden ein Gleichstrommotor, ein Steuersystem mit geschlossenem Regelkreis und ein Verfahren zum Steuern einer Position eines Gleichstrommotors gemäß den beigefügten Ansprüchen geschaffen.
Die vorliegende Erfindung ist darauf ausgerichtet, eine genaue Motorsteuerung und -positionierung von gesteuerten Einrichtungen durch die Verwendung eines Gleichstrommotors zu erreichen und gleichzeitig die Verwendung von aufwendigen Rückkopplungssteuereinrichtungen, um anfängliche Ungenauigkeiten bei der Gleichstrommotorsteuerung zu korrigieren, zu vermeiden. Die vorliegende Erfindung erreicht dies durch einen variierenden Ankerwiderstand eines Gleichstrommotors, während sich der Motor dreht, so daß bei einer konstanten Gleichspannung der Gleichstrommotorstrom wiederholbar variiert oder daß bei einem konstanten Gleichstrom die Gleichstrommotorspannung wiederholbar variiert. Diese Variierung wird zurückgekoppelt und dazu verwendet, die tatsächliche Position der Welle des Motors zu bestimmen. Etwaige Ungenauigkeiten bezüglich der Position der Welle und somit der gesteuerten Einrichtung können daraufhin korrigiert werden.
Somit besteht zumindest ein Vorteil der vorliegenden Erfindung darin, daß sie eine Motorpositionsrückkopplungserzeugungseinrichtung umfaßt, die direkt in den Motor eingebaut ist, so daß die zusätzlichen Kosten von traditionellen Rückkopplungserzeugungseinrichtungen, beispielsweise Decodern, Schaltern und Tachometern, eliminiert werden. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der verbesserten Zuverlässigkeit des Steuersystems, da ein Versagen einer getrennten Rückkopplungserzeugungseinrichtung aus dem Steuersystem als ein Faktor bei dem Gesamtverhalten des Systems eliminiert wurde. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist eine verbesserte Herstellbarkeit aufgrund der Tatsache, daß eine separate Rückkopplungserzeugungseinrichtung nicht als eine Komponente jedes Steuersystems installiert werden muß.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Gleichstrommotor zur Verwendung in einem Steuersystem mit geschlossenem Regelkreis gemäß dem folgenden Anspruch 1. Der Gleichstrommotor umfaßt einen Kommutator, der eine Mehrzahl von. Schlitzen aufweist und ausgelegt ist, sich zu drehen. Der Gleichstrommotor umfaßt ferner eine Mehrzahl von Wicklungen, wobei die Anzahl von Wicklungen der Anzahl an Schlitzen des Kommutators plus eins entspricht. Der Gleichstrommotor umfaßt zudem eine Mehrzahl von Bürsten, die so konfiguriert sind, daß ein Anlegen einer Gleichspannung an den Bürsten zu einem Stromfluß in mindestens einer der Wicklungen führt, was bewirkt, daß sich der Kommutator dreht. Ein kontinuierliches Anlegen der Gleichspannung an den Bürsten bewirkt, daß der Strom in einer unterschiedlichen Anzahl der Wicklungen fließt, während sich der Kommutator weiterdreht.
Der oben beschriebene Gleichstrommotor kann modifiziert sein und die folgenden Charakteristika, wie unten beschrieben, umfassen. Zwei der Wicklungen können elektrisch parallel verlaufen. Der in den Wicklungen fließende Strom kann mit der Zeit variieren und eine maximale Größe aufweisen, die eine Position des Motors anzeigt.
Der Gleichstrommotor kann eine Welle umfassen, die mit dem Kommutator gekoppelt ist, so daß eine Drehung des Kommutators zu einer Drehung der Welle führt. Bei diesem Ausführungsbeispiel variiert der in den Wicklungen fließende Strom mit der Zeit, auf eine Weise, die eine Position der Welle anzeigt. Der in den Wicklungen fließende Strom kann alle einhundertundachtzig Grad (180º) einer Drehung der Welle eine maximale Größe aufweisen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein Steuersystem mit geschlossenem Regelkreis. Das System umfaßt einen Gleichstrommotor, der eine Welle, einen Kommutator und eine Mehrzahl von Wicklungen aufweist und so konfiguriert ist, daß ein Anlegen der Gleichspannung an den Motor die Welle veranlaßt, sich zu drehen, und einen Strom erzeugt, der mit der Zeit variiert, während sich die Welle dreht. Dieser zeitlich variierende Strom weist eine maximale Größe auf, die eine Position der Welle des Motors anzeigt. Das System weist ferner eine Motorpositionssignalquelle auf, die ein Motorgesteuerte-Position-Signal zum Drehen der Welle des Gleichstrommotors zu einer gewünschten Position erzeugt. Das System umfaßt zusätzlich eine Rückkopplungsschaltung, die konfiguriert ist, um ein Tatsächliche-Position-Signal einer zu erzeugen, das für die tatsächliche Position der Welle des Gleichstrommotors repräsentativ ist. Das Tatsächliche-Position-Signal ist von der zeitlich variierenden Größe des Stroms abgeleitet. Die Rückkopplungsschaltung ist ferner konfiguriert, um ein Motorpositionsfehlersignal zu erzeugen, das für einen etwaigen Unterschied zwischen dem Motorgesteuerte-Position-Signal von der Motorpositionssignalquelle und dem Tatsächliche- Position-Signal repräsentativ ist. Das System umfaßt ferner eine Gleichspannungsquelle, die mit dem Gleichstrommotor gekoppelt ist. Das Motorpositionsfehlersignal ist mit der Gleichspannungsquelle gekoppelt, um die Welle des Gleichstrommotors auf der Basis des Motorpositionsfehlersignals zu drehen, um einen etwaigen Fehler hinsichtlich der gewünschten Position der Welle des Gleichstrommotors zu korrigieren.
Das oben beschriebene Steuersystem mit geschlossenem Regelkreis kann modifiziert sein und die folgenden Charakteristika umfassen, wie unten beschrieben. Die Motorpositionssignalquelle kann einen Mikroprozessor oder eine Steuerungseinrichtung umfassen. Die Rückkopplungsschaltung kann eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC - Application Specific Integrated Circuit) umfassen, die konzipiert ist, um das Tatsächliche-Position-Signal auf der Basis der zeitlich variierenden Größe des Stroms zu erzeugen. Die Rückkopplungsschaltung kann ferner einen Komparator umfassen, der konfiguriert ist, um das Motorpositionsfehlersignal zu erzeugen, das für einen etwaigen Unterschied zwischen dem Motorgesteuerte-Position-Signal von der Motorpositionssignalquelle und dem Tatsächliche-Position- Signal repräsentativ ist.
Das Steuersystem mit geschlossenem Regelkreis kann bei einem Druckmechanismus verwendet werden. Der Kommutator weist eine Mehrzahl von Schlitzen auf und ist dazu konfiguriert, sich zu drehen. Die Anzahl an Wicklungen des Gleichstrommotors, die Strom führen, entspricht der Anzahl an Schlitzen des Kommutators plus eins. Zwei der Wicklungen können elektrisch parallel sein.
Ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Steuersystems mit geschlossenem Regelkreis gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt einen Gleichstrommotor, der eine Welle, einen Kommutator und eine Mehrzahl an Wicklungen aufweist und so konfiguriert ist, daß ein Anlegen eines konstanten Stroms an den Motor die Welle veranlaßt, sich zu drehen, und einen Spannungsabfall an dem Gleichstrommotor erzeugt, der mit der Zeit variiert, während sich die Welle dreht. Diese zeitlich variierende Spannung weist eine maximale Größe auf, die eine Position der Welle des Motors anzeigt. Das System umfaßt ferner eine Motorgesteuerte-Position- Signalquelle, wobei die Quelle ein Motorpositionssignal zum Drehen der Welle des Gleichstrommotors zu einer gewünschten Position erzeugt. Das System umfaßt zusätzlich eine Rückkopplungsschaltung, die konfiguriert ist, um ein Tatsächliche-Position-Signal zu erzeugen, das für die tatsächliche Position der Welle des Gleichstrommotors repräsentativ ist. Das Tatsächliche-Position-Signal ist von der zeitlich variierenden Größe der Spannung abgeleitet. Die Rückkopplungsschaltung ist ferner konfiguriert, um ein Motorpositionsfehlersignal zu erzeugen, das für einen etwaigen Unterschied zwischen dem Motorgesteuerte-Position-Signal von der Motorpositionssignalquelle und dem Tatsächliche-Position- Signal repräsentativ ist. Das System umfaßt ferner eine Konstantstromquelle, die mit dem Gleichstrommotor gekoppelt ist. Das Motorpositionsfehlersignal ist mit der Konstantstromquelle gekoppelt, um die Welle des Gleichstrommotors auf der Basis des Motorpositionsfehlersignals zu drehen, um einen etwaigen Fehler hinsichtlich der gewünschten Position der Welle des Gleichstrommotors zu korrigieren.
Dieses alternative Steuersystem mit geschlossenem Regelkreis kann modifiziert werden und die Charakteristika umfassen, die oben in Verbindung mit dem ersten Steuersystem mit geschlossenem Regelkreis beschrieben wurden. Dieses alternative Steuersystem mit geschlossenem Regelkreis kann auch bei einem Druckmechanismus verwendet werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern einer Position eines Gleichstrommotors, der einen Kommutator und eine Mehrzahl an Wicklungen aufweist, in einem Rückkopplungssteuersystem mit geschlossenem Regelkreis. Das Verfahren umfaßt die Schritte des Erzeugens eines Motorgesteuerte-Position-Signals zum Drehen der Welle des Gleichstrommotors zu einer gewünschten Position und des Erzeugens eines Tatsächliche-Position- Signals, das für die tatsächliche Position der Welle des Gleichstrommotors repräsentativ ist. Das Tatsächliche- Position-Signal ist von einer zeitlich variierenden Größe eines Stroms des Gleichstrommotors abgeleitet. Das Verfahren umfaßt zusätzlich die Schritte des Erzeugens eines Motorpositionsfehlersignals, das für einen etwaigen Unterschied zwischen dem Motorgesteuerte-Position-Signal und dem Tatsächliche-Position-Signal repräsentativ ist, und des Erzeugens einer Gleichspannung auf der Basis des Motorpositionsfehlersignals, um die Welle des Gleichstrommotors zu der gewünschten Position zu drehen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern einer Welle eines Gleichstrommotors, der einen Kommutator und eine Mehrzahl von Wicklungen aufweist, in einem Rückkopplungssteuersystem mit geschlossenem Regelkreis. Das Verfahren umfaßt die Schritte des Erzeugens eines Motorgesteuerte-Position-Signals zum Drehen der Welle des Gleichstrommotors zu einer gewünschten Position und des Erzeugens eines Tatsächliche-Position- Signals, das für die tatsächliche Position der Welle des Gleichstrommotors repräsentativ ist. Das Tatsächliche- Position-Signal ist von einer zeitlich variierenden Größe einer Spannung des Gleichstrommotors abgeleitet. Das Verfahren umfaßt zusätzlich die Schritte des Erzeugens eines Motorpositionsfehlersignals, das für einen etwaigen Unterschied zwischen dem Motorgesteuerte-Position-Signal und dem Tatsächliche-Position-Signal repräsentativ ist, und des Erzeugens eines Konstantstroms auf der Basis des Motorpositionsfehlersignals, um die Welle des Gleichstrommotors zu der gewünschten Position zu drehen.
Weitere Aufgaben, Vorteile und neuartige Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung ersichtlich, wenn diese in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine fragmentierte, teils schematische perspektivische Ansicht eines Tintenstrahldruckmechanismus, der eine Wartungsstation umfaßt, die über ein Schrittmotorsteuersystem verschiebbar beweglich ist;
Fig. 2 ist eine fragmentierte perspektivische Ansicht einer Form einer Wartungsstation der Fig. 1;
Fig. 3 ist eine fragmentierte perspektivische Ansicht der Wartungsstation der Fig. 2, die durch ein Gleichstrommotorsteuersystem mit geschlossenem Regelkreis der vorliegenden Erfindung gesteuert wird;
Fig. 4A bis 4E sind schematische Teilansichten der Funktionsweise eines Gleichstrommotors;
Fig. 5 ist ein Graph des Stroms als Funktion der Zeit für die in den Fig. 4A-4E gezeigte Funktionsweise des Gleichstrommotors;
Fig. 6A bis 6K sind schematische Teilansichten der Funktionsweise eines Gleichstrommotors, der gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
Fig. 7 ist ein Graph des Stroms als Funktion der Zeit für die in den Fig. 6A-6K gezeigte Operation des Gleichstrommotors der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8 ist eine Darstellung eines tatsächlichen Stroms als Funktion der Zeit, der für einen Gleichstrommotor ausgegeben wird, der gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
Fig. 9 ist ein Schema eines Gleichstrommotorsteuersystems mit geschlossenem Regelkreis, das eine Rückkopplungserzeugungseinrichtung verwendet;
Fig. 10 ist ein Schema eines Gleichstrommotorsteuersystems mit geschlossenem Regelkreis, das gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
Fig. 11 ist ein Flußdiagramm zum Steuern einer Position einer Welle eines Gleichstrommotors, der eine asymmetrische Wicklung aufweist, in einem Rückkopplungssteuersystem mit geschlossenem Regelkreis, gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 12 ist ein Flußdiagramm eines alternativen Verfahrens zum Steuern einer Position einer Welle eines Gleichstrommotors, der eine asymmetrische Wicklung aufweist, in einem Rückkopplungssteuersystem mit geschlossenem Regelkreis, gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 13A bis 13G sind schematische Teilansichten der Funktionsweise eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Gleichstrommotors, der gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
Fig. 14 ist ein Graph des Stroms als Funktion der Zeit für den in den Fig. 13A-13G gezeigten Gleichstrommotor der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 15 ist eine Darstellung eines tatsächlichen Stroms als Funktion der Zeit, der für einen gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebauten Gleichstrommotor ausgegeben wird.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines Tintenstrahldruckmechanismus, hier als ein Tintenstrahldrucker 20 gezeigt, der zum Drucken für Geschäftsberichte, Korrespondenz, Desktop-Publishing und dergleichen in einem industriellen Umfeld, im Büro oder zu Hause verwendet werden kann. Eine Vielfalt an Tintenstrahldruckmechanismen sind im Handel erhältlich. Beispielsweise umfassen manche der Druckmechanismen, die die vorliegende Erfindung verkörpern können und unten beschrieben sind, Plotter, tragbare Druckgeräte, Kopiergeräte, Kameras, Videodrucker und Faxgeräte, um nur einige zu nennen. Die vorliegende Erfindung kann bei Druckmechanismen, beispielsweise zum Bewegen des Druckwagens, zum Bewegen des Druckmediums und zum Bewegen von Elementen der Tintenstrahldruckkopfwartungsstation, verwendet werden. Die vorliegende Erfindung kann neben Druckmechanismen auch andere Anwendungen finden. Beispielsweise können Anwendungen der vorliegenden Erfindung Videorekorder, Computer, Automobile und Stereoanlagen umfassen. Der Zweckmäßigkeit halber sind die Konzepte der vorliegenden Erfindung in dem Umfeld eines Tintenstrahldruckers 20 veranschaulicht. Es versteht sich jedoch, daß die vorliegende Erfindung auch bei anderen Gleichstrommotoranwendungen auf Mikroprozessor- oder Steuerungseinrichtungsbasis verwendet werden können, beispielsweise die oben beschriebenen.
Während es einleuchtet, daß die Druckerkomponenten von Modell zu Modell variieren können, umfaßt der typische Tintenstrahldrucker 20 ein Chassis 22, das von einer Behälter- oder Gehäuseeinfassung 24, die in der Regel aus einem Plastikmaterial besteht, umgeben ist. Blätter von Druckmedien werden durch ein adaptives Druckmedienhandhabungssystem 26 durch eine Druckzone 25 geführt. Das Druckmedium kann eine beliebige Art eines geeigneten blattförmigen Materials sein, beispielsweise Papier, Kartonmaterial, Transparente, Mylar und dergleichen, der Zweckmäßigkeit halber wird das veranschaulichte Ausführungsbeispiel jedoch unter Verwendung von Papier als das Druckmedium beschrieben. Das Druckmedienhandhabungssystem 26 weist einen Zufuhrschacht 28 zum Aufbewahren von Blättern Papier vor dem Ducken auf. Eine Reihe von konventionellen motorbetriebenen Papierantriebsrollen (nicht gezeigt) können verwendet werden, um das Druckmedium von dem Schacht 28 zum Drucken in die Druckzone 25 zu bewegen. Nach dem Drucken landet das Blatt daraufhin auf einem Paar von einklappbaren Ausgabe-Trocknungs- Flügelgliedern 30. Die Flügel 30 halten das neue gedruckte Blatt vorübergehend über etwaigen zuvor gedruckten Blättern, die in einem Ausgabeschachtabschnitt 32 noch trocknen, bevor sie schwenkbar zu den Seiten einklappen, wie durch gebogene Pfeile 33 gezeigt, um das neu gedruckte Blatt in den Ausgabeschacht 32 fallenzulassen. Das Medienhandhabungssystem 26 kann eine Reihe von Einstellmechanismen zum Fassen unterschiedlicher Größen von Druckmedien umfassen, einschließlich Briefen, gerichtlicher Schreiben, A4-Format, Umschlägen usw., beispielsweise einen verschiebbaren Längeneinstellhebel 34 und einen Umschlagzuführschlitz 35.
Der Drucker 20 weist ferner eine Druckersteuerungseinrichtung auf, die schematisch als Mikroprozessor 36 veranschaulicht ist, welche Instruktionen von einer Haupteinrichtung, in der Regel einem Computer, beispielsweise einem Personal Computer (nicht gezeigt), empfängt. Tatsächlich können viele der Funktionen der Druckersteuerungseinrichtung durch den Hauptrechner, durch die Elektronik, die in den Drucker eingebaut ist, oder durch Wechselwirkungen zwischen denselben durchgeführt werden. Ein mit dem Hauptcomputer gekoppelter Monitor kann verwendet werden, um einer Bedienperson visuelle Informationen anzuzeigen, beispielsweise den Druckkerstatus oder ein bestimmtes Programm, das gerade auf dem Hauptrechner läuft. Personal Computer, ihre Eingabeeinrichtungen, beispielsweise eine Tastatur und/oder eine Mauseinrichtung, sowie Monitore sind Fachleuten alle hinreichend bekannt.
Ein Wagenführungsstab 38 wird von dem Chassis 22 getragen, um einen Tintenstrahlwagen 40 verschiebbar zu tragen, um sich entlang einer Bewegungsachse 42, die durch den Führungsstab 38 definiert ist, über die Druckzone 25 hin- und herzubewegen. Ein konventionelles Wagenantriebssystem kann verwendet werden, um den Wagen 40 anzutreiben, einschließlich eines Positionsrückkopplungssystems, das Wagenpositionssignale an die Steuerungseinrichtung 36 kommuniziert. Beispielsweise können ein Wagenantriebsgetriebe und eine Gleichstrommotoranordnung gekoppelt sein, um einen Endlosriemen, der auf konventionelle Weise an dem Wagen 40 befestigt ist, anzutreiben, wobei der Motor als Reaktion auf Steuersignale, die von der Druckersteuerungseinrichtung 36 erhalten werden, läuft. Um Wagenpositionsrückkopplungsinformationen an die Druckersteuerungseinrichtung 36 zu liefern, kann ein Optischer-Codierer-Leser an dem Wagen 40 befestigt sein, um einen Codiererstreifen zu lesen, der sich entlang dem Weg der Wagenbewegung erstreckt.
Der Wagen 40 wird ferner entlang des Führungsstabs 38 in eine Wartungsregion vorangetrieben, wie allgemein durch den Pfeil 44 angezeigt ist, welche sich in dem Inneren des Gehäuses 24 befindet. Die Wartungsregion 44 beherbergt eine Wartungsstation 45, die diverse konventionelle Druckkopfwartungsfunktionen liefern kann. Beispielsweise hält ein Wartungsstationsrahmen 46 eine Gruppe von Druckkopfwartungsvorrichtungen, die unten ausführlicher beschrieben werden. In Fig. 1 ist ein Auswurfabschnitt 48 der Wartungsstation gezeigt, der zumindest teilweise durch den Wartungsstationsrahmen 46 definiert ist.
In der Druckzone 25 empfängt das Medienblatt Tinte von einer Tintenstrahlkassette, beispielsweise einer Schwarztintenkassette 50 und/oder einer Farbtintenkassette 52. Die Kassetten 50 und 52 werden von Fachleuten auch oft "Stifte" genannt. Der veranschaulichte Farbstift 52 ist ein dreifarbiger Stift, obwohl bei manchen Ausführungsbeispielen auch ein Satz von einzelnen monochromen Stiften verwendet werden kann.
Die veranschaulichten Stifte 50, 52 umfassen jeweils Reservoire zum Speichern eines Tintenvorrats. Die Stifte 50, 52 weisen Druckköpfe 54 bzw. 56 auf, von denen jeder eine Öffnungsplatte aufweist, die eine Mehrzahl von Düsen aufweist, die auf eine Weise, die Fachleuten hinreichend bekannt ist, durch dieselbe hindurch gebildet sind. Die veranschaulichten Druckköpfe 54, 56 sind Thermotintenstrahldruckköpfe, obwohl auch andere Arten von Druckköpfen verwendet werden können, beispielsweise piezoelektrische Druckköpfe. Die Druckköpfe 54, 56 umfassen in der Regel eine Substratschicht, die eine Mehrzahl von Widerständen aufweist, die den Düsen zugeordnet sind. Nachdem ein ausgewählter Widerstand mit Energie versorgt wird, bildet sich eine Gasblase, um ein Tintentröpfchen von der Düse und auf ein Medium in der Druckzone 25 auszustoßen. Die Druckkopfwiderstände werden als Reaktion auf Freigabe- oder Abschußbefehlsteuersignale selektiv mit Energie versorgt, wobei die Signale durch einen konventionellen Mehrleiterstreifen (nicht gezeigt) von der Steuerungseinrichtung 36 zu dem Druckkopfwagen 40, und durch konventionelle Verbindungen zwischen dem Wagen und Stiften 50, 52 den Druckköpfen 54, 56 zugeführt werden können.
Fig. 2 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines Übergangswartungsstationssystems 58. Hier umfaßt ein Wartungsstationsrahmen 46 ein Unterteilglied 60, das an dem Druckkerchassis 22 angebracht sein kann, beispielsweise unter Verwendung eines Schnappbefestigungselements, eines Niets, einer Schraube oder einer anderen Befestigungseinrichtung, die durch ein (nicht gezeigtes) Schlitzloch, das durch einen vorderen Abschnitt des Unterteils 60 definiert ist, eingebracht ist. Um die Höhe der Druckkopfwartungskomponenten einzustellen, kann ein Einstellmechanismus (nicht gezeigt) verwendet werden, um den Rahmen in Eingriff zu nehmen, beispielsweise unter Verwendung eines Paars von Pfosten 62, die sich von jeder Seite des Rahmenunterteils 60 nach außen erstrecken.
Das Chassis 22 oder, was stärker bevorzugt ist, das Äußere des Unterteils 60 kann verwendet werden, um einen konventionellen Wartungsstationsantriebsmotor, beispielsweise einen Schrittmotor 64, zu tragen. Vorzugsweise weist der Schrittmotor 64 einen oberen und einen unteren Befestigungspunkt auf, wobei die obere Halterung beispielsweise durch eine Befestigungsvorrichtung 66, die sich in das Unterteil 60 erstreckt, an dem Rahmenunterteil 60 angebracht ist. Das Unterteil 60 kann auch einen Vorsprung oder eine andere Struktur zum Aufnehmen einer Befestigungsvorrichtung aufweisen, wobei sich diese hier von der Seite nach außen erstreckt, um eine. Befestigungsvorrichtung 68 aufzunehmen, welche die untere Motorhalterung an dem Unterteil 60 befestigt. Der Schrittmotor 64 ist wirksam in Eingriff genommen, um ein erstes Übertragungszahnrad 70 unter Verwendung eines oder mehrerer Untersetzungsgetriebe, Riemen oder anderer Antriebseinrichtungen, welche Fachleuten bekannt sind, anzutreiben, das hier ein zweites Übertragungszahnrads 72 antreibend gezeigt ist. Sowohl das erste als auch das zweite Übertragungszahnrad 70, 72 sind vorzugsweise an Pfosten befestigt, die sich von der Seite des Unterteils 60 erstrecken. Das Übertragungszahnrad 72 nimmt eines von zwei Antriebszahnrädern 74 einer Spindelritzelantriebsgetriebeanordnung (nicht gezeigt) in Eingriff. Die beiden Antriebszahnräder 74 befinden sich entlang gegenüberliegender Seiten des Wartungsstationsrahmens und sind durch eine Achse (nicht gezeigt) aneinandergekoppelt. Der Schrittmotor 64 und diese Räder sind wirksam, um den Werkstückträger 76 in den Richtungen, die durch den Doppelspitzenpfeil 78 angezeigt sind, verschiebbar zu bewegen.
Der Werkstückträger 76 wird in die durch den Doppelspitzenpfeil 78 angezeigten Richtungen verschoben, um Druckköpfe 54 und 56 der Stifte 50 und 52 periodisch zu warten. Dieses Warten umfaßt beispielsweise das Abwischen überschüssiger Tinte von den Druckköpfen 54 und 56 über flexible Wartungsstationswischer 80, 82, 84, 86, 88 und 90 und das Abdecken von Druckköpfen 54 und 56 über Abdeckungen 92 und 94, um dazu beizutragen, zu verhindern, daß die Stifte 50 und 52 austrocknen und durch Schmutzstoffe verunreinigt werden.
Schrittmotoren, wie der Schrittmotor 64, werden in der Regel bei einer Konfiguration mit offenem Regelkreis verwendet, bei der der Schrittmotor von beispielsweise einem Mikroprozessor oder einer Steuerungseinrichtung, wie z. B. der Steuerungseinrichtung 36, ein Befehlssignal empfängt, das bewirkt, daß sich eine Welle des Schrittmotors um eine vorbestimmte Anzahl von Graden in einer vorbestimmten Richtung dreht. Das Befehlssignal kann in Form eines oder mehrerer Impulse von einem Mikroprozessor oder einer Steuerungseinrichtung vorliegen, der bzw. die programmiert ist, um den einen oder die mehreren Pulse zu erzeugen, um die Welle des Schrittmotors um die vorbestimmte Anzahl an Graden in der vorbestimmten Richtung zu drehen, um eine spezifizierte Funktion (z. B. Betätigen einer Wartungsstation, um einen Tintenstrahldruckkopf abzudecken durchzuführen. Die Polarität und/oder Phaseneinstellung von mehreren Signalen kann verwendet werden, um die Richtung der Drehung der Schrittmotorwelle zu steuern. Das System mit offenem Regelkreis ist auch in der Lage, die Position der Schrittmotorwelle zu verfolgen, beispielsweise indem es die anfängliche Wellenposition registriert und die Anzahl an bereits übertragenen Pulsen zählt. Das Schrittmotorsteuersystem mit offenem Regelkreis liefert eine genaue Motorsteuerung und -positionierung gesteuerter Einrichtungen.
Ein übergangsweises Wartungsstationssystem 96 gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 3 gezeigt. Elemente des Systems 96, die die gleichen sind wie jene des Systems 58, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Das System 96 wird durch einen Gleichstrommotor 100, der gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, und nicht durch einen Schrittmotor, wie den Motor 64 in Fig. 2, betätigt. Eine Klemme 102 und ein Paar Befestigungsvorrichtungen, von denen eine durch das Bezugszeichen 103 gezeigt ist, befestigt den Motor 100 an dem Unterteil 60. Ein Schneckengetriebe 104, das von der Welle 106 des Motors 102 angetrieben wird, steht in Eingriff mit dem Zahnrad 74, um den Werkstückträger 76 in die durch den Doppelspitzenpfeil 78 angegebenen Richtungen zu verschieben. Der Motor 100 wird durch eine Gleichspannung mit Energie versorgt, um die Welle 106 entweder in einer im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn verlaufenden Richtung kontinuierlich zu drehen, solange diese Spannung anliegt. Die Richtung einer solchen Drehung wird durch die Polarität der angelegten Gleichspannung gesteuert.
Fig. 4A-4E sind schematische Teilansichten der Operation eines Gleichstrommotors 107. Der Gleichstrommotor 107 umfaßt einen Anker 108 und ein Paar Bürsten 110 und 112, an denen eine Gleichspannung angelegt ist. Der gezeigte Anker 108 umfaßt einen Kommutator 114, der fünf Schlitze 116, 118, 120, 122 und 124 aufweist und an dem fünf Wicklungen 126, 128, 130, 132 und 134 gewickelt sind. Wenn, wie in den Fig. 4A-4E gezeigt, eine feststehende Gleichspannung oder eine konstante Effektivspannung an den Bürsten 110 und 112 angelegt wird, fließt ein positiver Strom von der Bürste 110 über einige oder alle Wicklungen 126, 128, 130, 132 und 134 zu der Bürste 112, was bewirkt, daß sich der Kommutator 114 in einer im Uhrzeigersinn Verlaufenden Richtung dreht, wie allgemein durch den Pfeil 135 in den Fig. 4A-4E angezeigt ist. Unter Bezugnahme auf Fig. 4A kann man sehen, daß in dieser Position des Kommutators 114 Strom durch Wicklungen 126 und 128, wie allgemein durch Strompfeile 136 und 138 angezeigt, und durch Wicklungen 130 und 132 fließt, wie allgemein durch Strompfeile 140 und 142 angezeigt. Aufgrund des Kurzschlusses, der durch den Schlitz 124, welcher sich unter der Bürste 110 befindet, verursacht wurde, fließt jedoch kein Strom durch die Wicklung 134. Unter Bezugnahme auf Fig. 4B hat sich der Kommutator 114 um einen ausreichenden Betrag im Uhrzeigersinn zu der gezeigten Position gedreht, so daß in jeder Wicklung des Ankers 108 Strom fließt, einschließlich der Wicklung 134, wie allgemein durch den Strompfeil 144 angedeutet, da sich der Schlitz 124 nicht mehr unter der Bürste 110 befindet. Eine weitere Drehung des Kommutators 114 im Uhrzeigersinn ist in Fig. 4C gezeigt. An diesem Punkt ist die Wicklung 128 kurzgeschlossen, so daß kein Strom durch sie hindurchfließt, da der Schlitz 118 unter der Bürste 112 angeordnet ist. Es fließt ein Strom durch die anderen Wicklungen des Ankers 108, wie gezeigt ist. Unter Bezugnahme auf Fig. 4D hat sich der Kommutator 114 im Uhrzeigersinn weitergedreht, so daß durch alle fünf Wicklungen des Ankers 108 Strom fließt, wie gezeigt, einschließlich der Wicklung 128, wie durch den Strompfeil 138 angezeigt, da sich der Schlitz 118 nicht mehr unter der Bürste 112 befindet. Eine weitere Drehung des Kommutators 114 im Uhrzeigersinn ist in Fig. 4E festgehalten. In dieser Position ist die Wicklung 132 kurzgeschlossen, da sich der Schlitz 122 unter der Bürste 110 befindet. Es fließt ein Strom durch die anderen Wicklungen des Ankers 108, wie gezeigt ist.
Fig. 5 zeigt einen Graphen 146 des Stroms als Funktion der Zeit für die in den Fig. 4A-4E gezeigte Operation des Gleichstrommotors. Wie in Fig. 5 zu sehen ist, variiert die Größe des Stroms während der Drehung des Kommutators 114 periodisch zwischen zwei Werten. Die größere Größe ist in Fig. 5 mit "2-2" bezeichnet, und die kleinere Größe ist in Fig. 5 mit "3-2" bezeichnet. "2-2" zeigt den Wert des Gesamtstroms an, der von der Bürste 110 zu der Bürste 112 fließt, wenn Strom durch zwei Wicklungen oberhalb der Bürsten 110 und 112 und zwei Wicklungen unterhalb der Bürsten 110 und. 112 in den Fig. 4A, 4C und 4E fließt. "3-2" zeigt den Wert des Gesamtstroms an, der von der Bürste 110 zu der Bürste 112 fließt, wenn Strom durch drei Wicklungen oberhalb der Bürsten 110 und 112 und zwei Wicklungen unterhalb der Bürsten 110 und 112 in Fig. 4B, und drei Wicklungen unterhalb der Bürsten 110 und 112 und zwei Wicklungen oberhalb der Bürsten 110 und 112 in Fig. 4D fließt. Die Größe des Stroms ist in dem Fall "3-2" geringer als in dem Fall "2-2", da die zusätzliche Wicklung einen zusätzlichen Widerstand bedeutet, der den Stromfluß bei einer angelegten Gleichspannung verringert. "4A", "4B", "4C", "4D" und "4E" in Fig. 5 entsprechen den in den Fig. 4A-4E gezeigten Positionen. Der gestrichelte Abschnitt des Graphen 146 stellt einen zusätzlichen Stromfluß von der Bürste 110 zu der Bürste 112 als Funktion der Zeit für die gleiche angelegte feststehende Gleichspannung oder konstante effektive Gleichspannung dar.
Obwohl der Gleichstrommotor 107 eine wiederholbare Ausgabe des Stroms als Funktion der Zeit erzeugt, ist dieses Signal nicht nützlich bei der Erfassung der Position der Gleichstrommotorwelle zu einem beliebigen gegebenen Zeitpunkt, was bei Steuersystemen, in denen ein Gleichstrommotor verwendet wird, erforderlich ist. Gleichstrommotoren können entweder in einer Konfiguration mit offenem Regelkreis oder in einer Konfiguration mit geschlossenem Regelkreis verwendet werden. Bei einer Konfiguration mit offenem Regelkreis dreht sich eine Welle eines Gleichstrommotors so lange, wie ein Gleichspannungssteuersignal angelegt ist, und noch einen gewissen Zeitraum, nachdem das Signal entfernt wurde, bis die Trägheit der Drehwelle abgeschwächt ist. Die Drehrichtung der Welle des Gleichstrommotors wird durch die Polarität des Steuersignals gesteuert. Eine genaue Motorsteuerung und Positionierung von gesteuerten Einrichtungen ist bei derartigen Gleichstrommotorsteuersystemen mit offenem Regelkreis schwierig, da sich die Welle nicht jedesmal, wenn ein Steuersignal angelegt ist, um einen vorbestimmten Betrag dreht. Ein Vorteil von Steuersystemen, die Gleichstrommotoren verwenden, besteht jedoch darin, daß ein auf einem Gleichstrommotor basierendes Steuersystem Leistung effizienter nutzt und somit weniger kostenintensiv zu betreiben ist als ein Schrittmotor mit offenem Regelkreis, da Leistung nicht unterbrochen wird, um die Gleichstrommotorwelle zu drehen, wie bei einem Schrittmotor, was oben in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 beschrieben wurde. Zudem sind Gleichstrommotoren derzeit kostengünstiger als Schrittmotoren.
Es wurden bereits diverse Lösungen angeboten, um dieses Positionierungsproblem anzugehen, einschließlich der Verwendung von Arretierungen und der Verwendung eines Gleichstrommotorsteuersystems mit geschlossenem Regelkreis. Arretierungen sind feste Strukturen, die in den Weg einer gesteuerten Einrichtung plaziert werden und die eine weitere Bewegung der Einrichtung in einer bestimmten Richtung verhindern. Die Verwendung von Arretierungen kann jedoch schwierig sein, wo mehr als zwei Steuerpositionen erforderlich sind, wie bei der in den Fig. 1-3 veranschaulichten Wartungsstation, wo mindestens drei Positionen erforderlich sind.
Gleichstrommotorsteuersysteme mit geschlossenem Regelkreis verwenden eine Rückkopplungseinrichtung, beispielsweise einen Codierer, einen Schalter oder einen Tachometer, um die tatsächliche Position der gesteuerten Einrichtung zu verfolgen. Die tatsächliche Position wird zurückgekoppelt und mit der gewünschten Position verglichen. Ein etwaiger Unterschied zwischen den beiden wird dadurch korrigiert, daß ein weiteres Signal an den Motor gesandt wird, um die Welle zu drehen, bis sie die gesteuerte Einrichtung ordnungsgemäß positioniert. Diese Konstruktion liefert eine genaue Motorsteuerung und -positionierung von gesteuerten Einrichtungen, wie bei Schrittmotorsteuersystemen mit offenem Regelkreis. Ein Nachteil derartiger Systeme mit geschlossenem Regelkreis besteht darin, daß diese Rückkopplungseinrichtungen aufwendig sind. Dieser zusätzliche Aufwand kann dazu führen, daß sich die Kosten dieses Gleichstrommotorsteuersystems mit geschlossenem Regelkreis an die eines Schrittmotorsteuersystems mit offenem Regelkreis annähern oder diese übersteigen.
Die Verwendung von Arretierungen kann jedoch schwierig sein, wo mehr als zwei Steuerpositionen erforderlich sind, wie bei der in den Fig. 1-3 veranschaulichten Wartungsstation, wo mindestens drei Positionen erforderlich sind.
Die vorliegende Erfindung ist darauf ausgerichtet, eine genaue Motorsteuerung und -positionierung von gesteuerten Einrichtungen, welche mit der, die anhand eines schrittmotorbetriebenen Steuersystems erzielt wird, vergleichbar ist, durch die Verwendung eines Gleichstrommotors zu erreichen und gleichzeitig die Verwendung von aufwendigen Rückkopplungssteuereinrichtungen, um anfängliche Ungenauigkeiten bei der Gleichstrommotorsteuerung zu korrigieren, zu vermeiden. Die vorliegende Erfindung erreicht dies durch einen variierenden Ankerwiderstand eines Gleichstrommotors, während sich der Motor dreht, so daß bei einer konstanten Gleichspannung der Gleichstrommotorstrom wiederholbar variiert, mindestens zwei Mal pro vollständige Umdrehung des Motors, oder daß bei einem konstanten Gleichstrom die Gleichstrommotorspannung wiederholbar variiert, mindestens zwei Mal pro vollständige Umdrehung des Motors. Diese Variierung wird zurückgekoppelt und dazu verwendet, die tatsächliche Position der Welle des Motors zu bestimmen. Etwaige Ungenauigkeiten bezüglich der Position der Welle und somit der gesteuerten Einrichtung können daraufhin korrigiert werden.
Fig. 6A-6K sind schematische Teilansichten der Operation eines Gleichstrommotors 146, der gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Der Gleichstrommotor 146 umfaßt einen Anker 148 und ein Paar Bürsten 150 und 152, an denen eine Gleichspannung angelegt ist. Der gezeigte Anker 148 umfaßt einen Kommutator 154, der fünf Schlitze 156, 158, 160, 162 und 164 aufweist und an dem vier Wicklungen 166, 168, 170 und 172 gewickelt sind. Obwohl die gezeigten Wicklungen 166, 168, 170 und 172 benachbart zu jeweiligen Schlitzen 156, 158, 160 und 162 positioniert sind, versteht es sich, daß bei anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung Wicklungen auch so positioniert sein können, daß sie nicht benachbart zu den Motorschlitzen sind. Beispielsweise wurde die fünfte Wicklung neben dem Schlitz 164 aus der Schaltung genommen, wobei sie durchgeschnitten wurde, um einen offenen Schaltkreis zu erzeugen, oder vollständig von dem Motor 146 entfernt wurde. Dies bewirkt bei dem Schlitz 164 einen offenen Schaltkreis.
Wenn eine feststehende Gleichspannung oder eine konstante effektive Gleichspannung an den Bürsten 150 und 152 angelegt ist, wie in den Fig. 6A-6K gezeigt, fließt ein positiver Strom über einige oder alle der Wicklungen 166, 168, 170 und 172 von der Bürste 150 zu der Bürste 152, was bewirkt, daß sich der Anker 148 in einer im Uhrzeigersinn verlaufenden Richtung dreht, wie allgemein durch den Pfeil 174 in den Fig. 6A-6K angezeigt wird. Unter Bezugnahme auf Fig. 6A kann man sehen, daß in dieser Position des Kommutators 154 ein Strom durch Wicklungen 166 und 168, wie allgemein durch Strompfeile 176 und 178 angezeigt, und durch Wicklungen 170 und 172 fließt, wie allgemein durch Strompfeile 180 und 182 angezeigt. Diese Stromflüsse ergeben sich, da sich der Schlitz 164 unterhalb der Bürste 150 befindet und somit durch diese kurzgeschlossen ist. Unter Bezugnahme auf Fig. 6B drehte sich der Kommutator 154 um einen ausreichenden Betrag im Uhrzeigersinn zu der gezeigten Position, so daß aufgrund des offenen Schaltkreises bei Schlitz 164 kein Strom in den Wicklungen 166 oder 168 fließt. Jedoch fließt ein Strom in den Wicklungen 170 und 172, wie allgemein durch Strompfeile 180 und 182 angezeigt. Eine weitere Drehung des Kommutators 154 im Uhrzeigersinn ist in Fig. 6C gezeigt. An diesem Punkt weist die Wicklung 166 aufgrund des offenen Schaltkreises bei dem Schlitz 164 keinen Stromfluß auf, und ferner ist die Wicklung 168 kurzgeschlossen, da sich der Schlitz 158 unterhalb der Bürste 152 befindet. Es fließt weiterhin ein Strom durch die Wicklungen 170 und 172 des Ankers 148, wie gezeigt ist. Unter Bezugnahme auf Fig. 6D drehte sich der Kommutator 154 im Uhrzeigersinn weiter, so daß nun ein Strom durch die Wicklungen 168, 170 und 172 des Ankers 148, wie gezeigt ist, jedoch aufgrund des offenen Schaltkreises bei Schlitz 164 nicht durch die Wicklung 166 fließt. Eine weitere Drehung des Kommutators 154 im Uhrzeigersinn ist in Fig. 6E gezeigt. In dieser Position ist die Wicklung 172 kurzgeschlossen, da sich der Schlitz 162 unter der Bürste 150 befindet. Aufgrund des offenen Schaltkreises bei Schlitz 164 fließt immer noch kein Strom durch die Wicklung 166. Wie gezeigt ist, fließt Strom durch die Wicklungen 168 und 170 des Ankers 148. Eine weitere Drehung des Ankers 148 im Uhrzeigersinn ist in Fig. 6F gezeigt. In dieser Position fließt aufgrund des offenen Schaltkreises bei Schlitz 164 kein Strom durch die Wicklung 166 oder 172. Wie gezeigt, fließt weiterhin Strom durch die Wicklungen 168 und 170.
Während sich der Kommutator 154 weiterdreht, erreicht er die in Fig. 6G gezeigte Position. In dieser Position fließt aufgrund des offenen Schaltkreises bei Schlitz 164 kein Strom durch die Wicklung 172. Aufgrund der Position des Schlitzes 156 unter der Bürste 152 ist die Wicklung 166 kurzgeschlossen. Es fließt weiterhin Strom durch die Wicklungen 168 und 170. Eine weitere Drehung des Kommutators 154 im Uhrzeigersinn ergibt die in Fig. 6H gezeigte Position. In dieser Position fließt aufgrund des offenen Schaltkreises bei Schlitz 164 kein Strom durch die Wicklung 172. Wie gezeigt ist, fließt ein Strom durch die Wicklungen 166, 168 und 170. Eine weitere Drehung des Kommutators 154 im Uhrzeigersinn ergibt die in Fig. 6I gezeigte Position. In dieser Position ist die Wicklung 170 kurzgeschlossen, da sich der Schlitz 160 unter der Bürste 150 befindet, und aufgrund des offenen Schaltkreises bei Schlitz 164 fließt kein Strom durch die Wicklung 172. Wie gezeigt ist, fließt weiterhin Strom durch die Wicklungen 166 und 168. Eine weitere Drehung im Uhrzeigersinn plaziert den Motor 146 in der in Fig. 6J gezeigten Position. In dieser Position fließt aufgrund des offenen Schaltkreises bei Schlitz 164 kein Strom durch die Wicklungen 170 oder 172. Wie gezeigt ist, fließt weiterhin Strom durch die Wicklungen 166 und 168. Eine weitere Drehung des Kommutators 154 im Uhrzeigersinn ist in Fig. 6K gezeigt. In dieser Position fließt ein Strom durch alle Wicklungen, wie gezeigt ist, da der Schlitz 164 durch die Bürste 1152 kurzgeschlossen ist.
Fig. 7 zeigt einen Graphen 184 des Stroms als Funktion der Zeit für die in den Fig. 6A-6K gezeigte Operation des Gleichstrommotors. Wie in Fig. 7 zu sehen ist, variiert die Größe des Stroms während der Drehung des Kommutators 114 periodisch zwischen drei Werten. Die größere Größe ist mit "2-2" in Fig. 7 angezeigt, die mittlere mit "0-2" und die kleinste Größe ist in Fig. 7 mit "0-3" angezeigt. "2-2" zeigt den Wert des Gesamtstroms an, der von der Bürste 150 zu der Bürste 152 fließt, wenn ein Strom durch zwei Wicklungen oberhalb der Bürsten 150 und 152 und zwei Wicklungen unterhalb der Bürsten 150 und 152 in den Fig. 6A und 6K fließt. "0-2" gibt den Wert des Gesamtstroms an, der von der Bürste 150 zu der Bürste 152 fließt, wenn Strom durch zwei Wicklungen oberhalb der Bürsten 150 und 152 oder zwei Wicklungen unterhalb der Bürsten 150 und 152 fließt, wie in den Fig. 6B, 6C, 6E, 6F, 6G, 6I und 6J gezeigt ist. "0-3" gibt den Wert des Gesamtstroms an, der von der Bürste 150 zu der Bürste 152 fließt, wenn ein Strom durch drei Wicklungen oberhalb der Bürsten 150 und 152 oder drei Wicklungen unterhalb der Bürsten 150 und 152 fließt, wie in den Fig. 6D und 6H gezeigt. Die Größe des Stroms beträgt in dem Fall "0-2" weniger als in dem Fall "2-2", da nur durch die Hälfte des Motors Strom fließt. Die Größe des Stroms beträgt in dem Fall "0-3" weniger als in dem Fall "0-2", da die zusätzliche Wicklung einen zusätzlichen Widerstand bedeutet, der den Stromfluß für eine angelegte Gleichspannung verringert. "6A", "6B", "6C", "6D", "6E", "6F", "6G", "6H", "61", "6J" und "6K" in Fig. 7 entsprechen den in den Fig. 6A-6K gezeigten Positionen. Der gestrichelte Abschnitt des Graphen 184 stellt einen zusätzlichen Stromfluß von der Bürste 150 zu der Bürste 152 als Funktion der Zeit für die gleiche angelegte feststehende Gleichspannung oder konstante effektive Gleichspannung dar.
Aus der Betrachtung des Graphen 184 ist ersichtlich, daß bei jeder halben Umdrehung des Motors 146 ein relativ größter Stromgrößenpuls bzw. eine relativ größte Stromgrößen- "Spitze" 186 und 188 auftritt. Diese "Spitzen" liefern eine Positionsangabe der Welle des Gleichstrommotors, die verwendet werden kann, um eine gesteuerte Einrichtung genauer zu positionieren, als dies mit einem Gleichstrommotor alleine möglich ist, wobei diese positionsbezogene Genauigkeit mit jener vergleichbar ist, die mit einer separaten Positionsrückkopplungseinrichtung, beispielsweise einem Codierer, erreicht wird.
Fig. 8 ist eine Darstellung 190 eines tatsächlichen Stroms als Funktion der Zeit, der für einen Gleichstrommotor, der gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, ausgegeben wird. Die Darstellung 190 wurde mit einem Dreischlitz- Gleichstrommotor erstellt, der gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist und bei einer konstanten Gleichspannung bei 4.000 Umdrehungen pro Minute (U/min) ohne Last operiert. Wie in Fig. 8 zu sehen ist, treten Strompulse oder "Spitzen" 192, 194, 196, 198, 200 und 202 auf periodische Weise auf und zeigen jeweils eine halbe Umdrehung des Dreischlitz-Gleichstrommotors an.
Ein Gleichstrommotorsteuersystem 204 mit geschlossenem Regelkreis, das eine Rückkopplungserzeugungseinrichtung verwendet, ist in Fig. 9 gezeigt. Das System 204 umfaßt einen Gleichstrommotor 206, der dazu verwendet wird, eine (nicht gezeigte) gesteuerte Einrichtung und eine Rückkopplungseinrichtung, in diesem Falle einen Codierer 208, anzutreiben, welche ein Datensignal über die tatsächliche Position der Einrichtung, die von dem Gleichstrommotor gesteuert wird, auf der Basis einer mechanischen Bewegung der Einrichtung liefert. Das Datensignal über die tatsächliche Position wird zurückgekoppelt und mit dem Motorgesteuerte-Position- Signal von einer Einrichtung, beispielsweise einem Mikroprozessor oder einer Steuerungseinrichtung, welche die Positionierung des Motors steuert, verglichen, was schematisch durch einen Komparator 210 in Fig. 9 dargestellt ist. Ein etwaiger Unterschied zwischen den beiden Signalen deutet auf einen Fehler hinsichtlich der Position hin, die als ein Steuersignal einem Servoprogramm 212 zugeführt wird, welches derartige Steuersignale in eine Gleichspannung umwandelt, um den Motor anzutreiben und einen etwaigen derartigen Positionsfehler zu korrigieren.
Fig. 10 ist eine schematische Darstellung eines Gleichstrommotorsteuersystems 214 mit geschlossenem Regelkreis Regelkreis gemäß der vorliegenden Erfindung. Das System 214 umfaßt einen Gleichstrommotor 216, der gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, wie oben beschrieben, welcher dazu verwendet wird, eine gesteuerte Einrichtung (nicht gezeigt) anzutreiben. Es fällt auf, daß in dem System 214 keine Positionsrückkopplungseinrichtung, wie ein Codierer 208 in Fig. 9, welche auf einer mechanischen Bewegung beruht, vorliegt. Wie oben beschrieben wurde, weist der Motor 216 direkt in dem Motor ein Motorpositionsrückkopplungssignal auf (z. B. einen zeitlich variierenden Strom, der einen Strompuls bzw. eine Strom-"Spitze" mit großer Amplitude, oder, alternativ dazu, eine zeitlich variierende Spannung umfaßt, die einen Spannungsstrom bzw. eine Spannungs- "Spitze" mit großer Amplitude umfaßt), so daß die zusätzlichen Kasten von traditionellen Rückkopplungserzeugungseinrichtungen, beispielsweise Codierern, Schaltern und Tachometern, eliminiert sind. Dieses Positionssignal wird durch eine relativ kostengünstigere anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) 218 in einer Rückkopplungsschaltung verarbeitet, um ein Tatsächliche-Position-Signal zu erzeugen, das entweder die Position der gesteuerten Einrichtung oder die Position der Motorwelle anzeigt. Dieses Tatsächliche-Position-Signal wird an ein Motorgesteuerte- Position-Signal von einer Einrichtung, wie beispielsweise einem Mikroprozessor oder einer Steuerungseinrichtung, zurückgekoppelt und mit diesem verglichen, wobei der Mikroprozessor bzw. die Steuerungseinrichtung die Positionierung des Motors steuert und in Fig. 10 schematisch durch einen Komparator 220 dargestellt ist. Ein etwaiger Unterschied zwischem den beiden Signalen deutet auf einen Fehler hinsichtlich der Position hin, welche als ein Steuersignal einem Servoprogramm 222 zugeführt wird, das derartige Steuersignale in eine Gleichspannung (für ein Zeitvariabler- Strom-Positionssignal) oder einen Konstantstrom (für ein Zeitvariable-Spannung-Positionssignal) umwandelt, um den Motor anzutreiben und einen etwaigen derartigen Positionsfehler zu korrigieren.
Ein Flußdiagramm 224 zum Steuern einer Position einer Welle oder eines Gleichstrommotors bei einem Rückkopplungssteuersystem mit geschlossenem Regelkreis gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 11 gezeigt. Der Gleichstrommotor weist eine asymmetrische Wicklung auf (d. h. weniger Strom leitende Wicklungen als Kommutatorschlitze). Das Flußdiagramm 224 umfaßt folgende Schritte: Erzeugen eines Motorgesteuerte-Position-Signals zum Drehen der Welle des Gleichstrommotors zu einer gewünschten Position 226 und Erzeugen eines Tatsächliche-Position-Signals 228, das für die tatsächliche Position der Welle des Gleichstrommotors repräsentativ ist. Das Tatsächliche-Position-Signal 228 ist von einer zeitlich variierenden Größe eines Stroms des Gleichstrommotors 240 beispielsweise durch eine ASIC, wie oben beschrieben, abgeleitet. Das Flußdiagramm 224 umfaßt ferner folgende Schritte: Erzeugen eines Motorpositionsfehlersignals 232, das für einen etwaigen Unterschied zwischen dem Motorgesteuerte-Position-Signal 226 und dem Tatsächliche- Position-Signal 228 repräsentativ ist, und Erzeugen einer Gleichspannung 234 auf der Grundlage des Motorpositionsfehlersignals 232, um die Welle des Gleichstrommotors zu einer neuen tatsächlichen Position zu bewegen oder zu drehen, die näher an der gewünschten Position 236 liegt. Das Neue- Tatsächliche-Position-Signal 228, das von der zeitlich variierenden Größe des Stroms des Gleichstrommotors erzeugt wird, wird zurückgekoppelt und mit dem Motorgesteuerte- Position-Signal 226 verglichen, wie oben beschrieben, um die tatsächliche Position noch näher an die gewünschte Position heranzubringen. Durch diese fortgesetzte Rückkopplung erreicht die tatsächliche Position letztendlich die gewünschte Position.
Ein alternatives Flußdiagramm 238 zum Steuern einer Position einer Welle eines Gleichstrommotors in einem Rückkopplungssteuersystem mit geschlossenem Regelkreis gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 12 gezeigt. Der Gleichstrommotor weist eine asymmetrische Wicklung auf (d. h. weniger Strom leitende Wicklungen als Kommutatorschlitze). Das Flußdiagramm 238 umfaßt folgende Schritte: Erzeugen eines Motorgesteuerte-Position-Signals zum Drehen der Welle des Gleichstrommotors zu einer gewünschten Position 240 und Erzeugen eines Tatsächliche-Position-Signals 242, das für die tatsächliche Position der Welle des Gleichstrommotors repräsentativ ist. Das Tatsächliche-Position-Signal 242 wird von einer zeitlich variierenden Größe einer Spannung des Gleichstrommotors 244 durch beispielsweise eine ASIC, wie oben beschrieben, abgeleitet. Das Flußdiagramm 238 umfaßt zudem folgende Schritte: Erzeugen eines Motorpositionsfehlersignals 246, das für einen etwaigen Unterschied zwischen dem Motorgesteuerte-Position-Signal 240 und dem Tatsächliche-Position-Signal 242 repräsentativ ist, und Erzeugen eines Konstantstroms 248 auf der Grundlage des Motorpositionsfehlersignals 246, um die Welle des Gleichstrommotors zu einer neuen tatsächlichen Position zu bewegen oder zu drehen, die näher an der gewünschten Position 250 liegt. Das Neue-Tatsächliche-Position-Signal 242, das von der zeitlich variierenden Größe der Spannung des Gleichstrommotors erzeugt wird, wird zurückgekoppelt und mit dem Signal bezüglich der von dem Motor vorgegebenen Position 240 verglichen, wie oben beschrieben, um die tatsächliche Position noch näher an die gewünschte Position heranzubringen. Durch diese fortgesetzte Rückkopplung erreicht die tatsächliche Position letztendlich die gewünschte Position.
Fig. 15A-13G sind schematische Teilansichten der Operation eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Gleichstrommotors 300, der gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Der Gleichstrommotor 300 umfaßt einen Anker. 302 und ein Paar Bürsten 304 und 306, an denen eine Gleichspannung angelegt ist. Der gezeigte Anker 302 umfaßt einen Kommutator 308, welcher drei Schlitze 310, 312 und 314 aufweist, an denen vier Wicklungen 316, 318, 320 und 322 gewickelt sind. Obwohl die gezeigten Wicklungen 316, 318, 320 und 322 benachbart zu den Schlitzen 310, 312 und 314 positioniert sind, versteht es sich, daß bei anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung Wicklungen auch so positioniert sein können, daß sie nicht benachbart zu den Motorschlitzen sind. Wie in den Fig. 13A-13G zu sehen ist, sind Wicklungen 318 und 320 positioniert, um elektrisch parallel zu sein. Bei dem in den Fig. 13A-13G gezeigten Ausführungsbeispiel des Gleichstrommotors 300 weisen die Wicklungen 318 und 320 nur halb so viele Windungen auf wie die Wicklungen 316 und 322, so daß die Größe des Gleichstrommotors 300 nicht erhöht werden muß, um die parallelen Wicklungen zu beherbergen. Unterschiedliche Windungskombinationen für die parallelen Wicklungen (z. B. drei Windungen für die Wicklung 318 für jede Windung für die Wicklung 320) liegen innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung. Auch können bei anderen Ausführungsbeispielen eines gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebauten Gleichstrommotors Wicklungen 318 und 320 die gleiche Anzahl an Windungen aufweisen wie Wicklungen 316 und 322, indem die Größe des Gleichstrommotors 300 erhöht wird.
Wenn eine feststehende Gleichspannung oder eine konstante effektive Gleichspannung an den Bürsten 304 und 306 angelegt ist, wie in den Fig. 13A-13G gezeigt, fließt ein positiver Strom über zwei oder mehr der Wicklungen 316, 318, 320 und 322 von der Bürste 304 zu der Bürste 306, was bewirkt, daß sich der Anker 302 in einer im Uhrzeigersinn verlaufenden Richtung dreht, wie allgemein durch den Pfeil 324 angezeigt ist. Unter Bezugnahme auf Fig. 13A kann man sehen, daß in dieser Position des Kommutators 308 ein Strom durch die Wicklung 316, wie allgemein durch den Strompfeil 326 angezeigt, und durch die Wicklung 322 fließt, wie allgemein durch den Strompfeil 328 angezeigt. Durch die Wicklungen 318 und 320 fließt kein Strom, da sie durch die Bürste 306 kurzgeschlossen sind. Unter Bezugnahme auf Fig. 13B hat sich der Kommutator 308 um einen ausreichenden Betrag im Uhrzeigersinn zu der gezeigten Position gedreht, so daß nun durch die Wicklungen 318 und 320 ein Strom fließt, wie durch Strompfeile 330 und 332 angezeigt, da sie nicht mehr durch die Bürste 306 kurzgeschlossen sind. Wie durch die Strompfeile 326 und 328 angezeigt, fließt auch in den Wicklungen 316 und 322 weiterhin ein Strom. Eine weitere Drehung des Kommutators 308 im Uhrzeigersinn ist in Fig. 13C gezeigt. An diesem Punkt weist die Wicklung 322 keinen Stromfluß auf, da sie durch die Bürste 304 kurzgeschlossen ist. Es fließt weiterhin ein Strom durch die Wicklung 316, wie durch den Strompfeil 326 angezeigt, und durch die Wicklungen 318 und 320, wie durch Strompfeile 330 und 332 angezeigt.
Unter Bezugnahme auf Fig. 13D hat sich der Kommutator 308 im Uhrzeigersinn weitergedreht, so daß weiterhin ein Strom durch die Wicklungen 316, 318 und 320 fließt und nun wieder durch die Wicklung 322 fließt, wie durch den Strompfeil 328 angezeigt, da die Wicklung 322 nicht mehr durch die Bürste 304 kurzgeschlossen ist. Eine weitere Drehung des Kommutators 308 im Uhrzeigersinn ist in Fig. 1% gezeigt. In dieser Position ist die Wicklung 316 durch die Bürste 306 kurzgeschlossen, und kein Strom fließt durch sie hindurch. Es fließt weiterhin ein Strom durch die Wicklung 322, wie durch den Strompfeil 328 angezeigt, sowie durch die Wicklungen 318 und 320, wie durch Strompfeile 330 und 332 angezeigt. In Fig. 13F ist eine weitere Drehung des Ankers 302 im Uhrzeigersinn gezeigt. In dieser Position fließt weiterhin Strom durch die Wicklungen 318, 320 und 322, und nun fließt wieder Strom durch die Wicklung 316, wie durch den Strompfeil 326 angezeigt, da die Wicklung 316 nicht mehr durch die Bürste 306 kurzgeschlossen ist. Während der Kommutator 308 sich weiterdreht, erreicht er die in Fig. 13G gezeigte Position. In dieser Position fließt kein Strom durch die Wicklungen 318 und 320, da sie durch die Bürste 304 kurzgeschlossen sind. Es fließt weiterhin Strom durch die Wicklungen 316 und 322, wie durch Strompfeile 326 und 328 gezeigt ist.
Fig. 14 zeigt einen Graphen 334 des Stroms als Funktion der Zeit für die in den Fig. 13A-13G gezeigte Gleichstrommotoroperation. Wie in Fig. 14 gesehen werden kann, variiert die Größe des Stroms während der Drehung des Kommutators 308 periodisch zwischen vier Werten. Die größte Größe wird durch "1-1/4" in Fig. 14 angezeigt, die nächstgrößere Größe wird durch "2-1/4" angezeigt, die nächstgrößere Größe wird durch "1-1" in Fig. 14 und die kleinste Größe durch "1-1 ¹/&sub4;" angezeigt. "1-1/4" gibt den Wert des Gesamtstroms an, der von der Bürste 304 zu der Bürste 306 fließt, wenn Strom durch eine Wicklung oberhalb der Bürsten 304 und 306 und zwei parallele Wicklungen unterhalb der Bürsten 304 und 306 fließt, wie in den Fig. 13C und 13E gezeigt. Der "¹/&sub4;"-Wert ergibt sich, da die Wicklungen 318 und 320 die Hälfte der Windungen und somit die Hälfte des Widerstands der Wicklungen 316 und 322 aufweisen, und ferner deshalb, weil die Wicklungen 318 und 320 parallel sind. Dieser geringere Widerstand ermöglicht einen höheren Stromfluß bei der gleichen angelegten Spannung, wie durch das Ohmsche Gesetz gezeigt wird: Spannung (V) = Widerstand (R) · Strom (I). Wenn beispielsweise die Wicklungen 316 und 322 jeweils einen Widerstand von ein (1) Ohm (Q) aufweisen, wäre der Widerstand der Wicklungen 318 und 322 jeweils ein halbes (¹/&sub2;) Ohm (Q). Der Gesamtwiderstandswert einer parallelen Kombination von zwei Widerständen R&sub1; und R&sub2; lautet:
RT = (R&sub1; · R&sub2;)/(R&sub1; + R&sub2;)
Für die parallele Kombination der Wicklungen 318 und 320 lautet der Gesamtwiderstandswert:
RT318 und 320 (¹/&sub2; · ¹/&sub2;)/(¹/&sub2; + ¹/&sub2;) = ¹/&sub4;
"2-1/4" gibt den Wert des Gesamtstroms an, der von der Bürste 304 zu der Bürste 306 fließt, wenn ein Strom durch zwei Wicklungen 316 und 322 oberhalb der Bürsten 304 und 306 und die beiden parallelen Wicklungen 318 und 320 unterhalb der Bürsten 304 und 306 fließt, wie in Fig. 13D gezeigt. Die Größe des Stroms ist in dem Fall "2-1/4" geringer als in dem Fall "1-1/4", da die zusätzliche Wicklung einen zusätzlichen Widerstand bedeutet, der den Stromfluß bei einer angelegten Gleichspannung verringert.
"1-1" zeigt den Wert des Gesamtstroms an, der von der Bürste 304 zu der Bürste 306 fließt, wenn ein Strom durch eine Wicklung oberhalb der Bürsten 304 und 306 sowie eine Wicklung unterhalb der Bürsten 304 und 306 fließt, wie in den Fig. 13A und 13 G gezeigt. Die Größe des Stroms ist in dem Fall "1-1" geringer als in dem Fall "2-1/4", da der Widerstandswert der parallelen Wicklungen 318 und 320 geringer ist als der einer der beiden Wicklungen 316 oder 322 alleine.
"1-1 ¹/&sub4;" gibt den Wert des Gesamtstroms an, der von der Bürste 304 zu der Bürste 306 fließt, wenn ein Strom durch eine Wicklung oberhalb der Bürsten 304 und 306 sowie drei Wicklungen unterhalb der Bürsten 304 und 306 fließt, von denen zwei parallel sind, wie in den Fig. 13B und 13F gezeigt. Die Größe des Stroms ist in dem Fall "1-1 ¹/&sub4;" aufgrund der zusätzlichen parallelen Wicklungen unterhalb der Bürsten 304 und 306 geringer als in dem Fall "1-1".
"13A", "13B", "13C", "13D", "13E", "13F" und "13G" in Fig. 14 entsprechen den in den Fig. 13A-13G gezeigten Positionen. Der gestrichelte Abschnitt des Graphen 334 ist repräsentativ für einen zusätzlichen Stromfluß von der Bürste 304 zu der Bürste 306 als Funktion der Zeit für die gleiche angelegte feststehende Gleichspannung oder konstante effektive Gleichspannung, während sich der Motor um eine weitere halbe Windung dreht, um eine vollständige Umdrehung abzuschließen.
Die relativ größten Stromgrößenpulse oder -"Spitzen" 336 und 338 treten bei jeder halben Umdrehung des Motors 300 auf. Diese "Spitzen" liefern eine Positionsangabe der Welle des Gleichstrommotors 300, die verwendet werden kann, um eine gesteuerte Einrichtung genauer zu positionieren, als es mit einem Gleichstrommotor alleine möglich ist, wobei die Positionsgenauigkeit mit jener vergleichbar ist, die mit einer separaten Positionsrückkopplungseinrichtung, beispielsweise einem Codierer, erreicht wird.
Fig. 15 ist eine Darstellung 340 eines tatsächlichen Stroms als Funktion der Zeit, der für einen Gleichstrommotor ausgegeben wird, welcher zwei parallele Wicklungen aufweist, wie der Motor 300, der oben erörtert wurde. Die Darstellung 340 wurde mit einem Dreischlitz-Gleichstrommotor, der gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, erstellt, welcher bei einer konstanten Gleichspannung von 1,5 Volt bei 777 Umdrehungen pro Minute (U/min) ohne Last operiert. Wie in Fig. 15 zu sehen ist, treten Strompulse oder -"Spitzen" 342, 344, 346, 348, 350 und 352 auf periodische Weise auf, wobei jedes Paar eine halbe Umdrehung des Dreischlitz- Gleichstrommotors anzeigt.
Die obige Erörterung bezüglich der Fig. 10-12 gilt für das alternative Ausführungsbeispiel eines in den Fig. 13- 15 gezeigten Gleichstrommotors. Bei der Anwendung der Fig. 10-12 auf dieses alternative Ausführungsbeispiel bezieht sich eine asymmetrische Wicklung auf die Verwendung einer parallelen Wicklung, um eine Wellenform zu erzeugen, die der in den Fig. 14 und 15 gezeigten gleicht, welche verwendet werden kann, um ein Gleichstrommotorpositionsrückkopplungssignal zu liefern. Das Positionsrückkopplungssignal kann entweder ein zeitlich variierender Strom, der relativ große periodische Strompulse oder -"Spitzen" umfaßt, oder eine zeitlich variierende Spannung sein, die relativ große periodische Spannungspulse oder -"Spitzen" umfaßt.
Obwohl die Erfindung im Detail beschrieben und veranschaulicht wurde, versteht es sich natürlich, daß dieselbe lediglich Veranschaulichungs- und Beispielszwecken dienen soll und nicht als Einschränkung aufzufassen ist. Beispielsweise kann statt einer Gleichspannung eine Gleichstromquelle verwendet werden, um einen Motor gemäß der vorliegenden Erfindung zu steuern. Bei derartigen Ausführungsbeispielen erzeugen Motoren gemäß der vorliegenden Erfindung Eine zeitlich variierende Spannung, die eine Position einer Motorwelle oder einer gesteuerten Einrichtung anzeigt. Diese zeitlich variierende Spannung kann, wie oben beschrieben, bei einem Rückkopplungssystem mit geschlossenem Regelkreis verwendet werden. Als weiteres Beispiel können ein Hybridrückkopplungssteuersystem mit geschlossenem Regelkreis und ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung abwechselnd eine Gleichspannungsquelle und eine Gleichstromquelle verwenden, um einen Motor gemäß der vorliegenden Erfindung zu steuern. Ein solches System und ein solches Verfahren wären konzipiert, um den zeitlich variierenden Strom von dem Motor zur Motorsteuerung zu nutzen, wenn die Gleichspannungsquelle betriebsbereit wäre, und um die zeitlich variierende Spannung von dem Motor zur Motorsteue rung zu nutzen, wenn die Gleichstromquelle betriebsbe reit wäre. Als weiteres Beispiel läßt sich die vorliegende Erfindung auch auf andere Gleichstrommotorkonfigurationen als die veranschaulichten Drei- und Fünfpol- Gleichstrommotoren (z. B. Sieben-, Acht-, Neun- oder Zwölfpol-Gleichstrommotoren) anwenden. Als weiteres Beispiel, wie auch oben erwähnt, kann die vorliegende Erfindung auch bei anderen Einrichtungen als Druckmechanismen Anwendung finden.

Claims

1. Ein Gleichstrommotor (300) zur Verwendung bei einem Steuersystem mit geschlossenem Regelkreis, welcher folgende Merkmale aufweist:

einen Kommutator (308), wobei der Kommutator (308) eine Mehrzahl von Schlitzen (310, 312, 314) aufweist und konfiguriert ist, um sich zu drehen;

eine Mehrzahl von Wicklungen (316, 318, 320, 322), wobei die Anzahl von Wicklungen (316, 318, 320, 322) der Anzahl von Schlitzen (310, 312, 314) des Kommutators (308) plus eins entspricht; und

eine Mehrzahl von Bürsten (304, 306), wobei die Bürsten (304, 306) so konfiguriert sind, daß ein Anlegen einer Gleichspannung an den Bürsten (304, 306) einen Stromfluß in mindestens einer der Wicklungen (316, 318, 320, 322) zur Folge hat, was bewirkt, daß sich der Kommutator (308) dreht.

2. Der Gleichstrommotor (300) gemäß Anspruch 1, bei dem zwei der Wicklungen (316, 318, 320, 322) elektrisch parallel sind.

3. Der Gleichstrommotor (300) gemäß Anspruch 1, bei dem der in den Wicklungen (316, 318, 320, 322) fließende Strom mit der Zeit variiert und eine maximale Größe (336, 338, 342, 344, 346, 348, 350, 352) aufweist, die eine Position des Motors (300) anzeigt.

4. Der Gleichstrommotor (300) gemäß Anspruch 1, welcher ferner eine Welle (106) aufweist, die mit dem Kommutator (308) gekoppelt ist, so daß eine Drehung des Kommutators (308) zu einer Drehung der Welle (106) führt, und wobei der in den Wicklungen (316, 318, 320, 322) fließende Strom mit der Zeit auf eine Weise variiert, die eine Position der Welle (106) anzeigt.

5. Der Gleichstrommotor (300) gemäß Anspruch 4, bei dem der in den Wicklungen (316, 318, 320, 322) fließende Strom alle einhundertundachtzig Grad (180º) einer Drehung der Welle (106) eine maximale Größe (336, 338, 342, 344, 346, 348, 350, 352) aufweist.

6. Ein Steuersystem mit geschlossenem Regelkreis, das folgende Merkmale aufweist:

einen Gleichstrommotor (100, 146, 216, 300), der eine Welle (106), einen Kommutator (308), der eine Mehrzahl von Schlitzen (310, 312, 314) aufweist und konfiguriert ist, sich zu drehen, und eine Mehrzahl von Wicklungen (316, 318, 320, 322) umfaßt, wobei die Anzahl von Wicklungen (316, 318, 320, 322) der Anzahl von Schlitzen (310, 312, 314) des Kommutators (308) plus eins entspricht, und wobei der Gleichstrommotor (100, 146, 216, 300) so konfiguriert ist, daß ein Anlegen einer Gleichspannung an den Motor (100, 146, 216, 300) bewirkt, daß sich die Welle (106) dreht, und einen Strom erzeugt, der mit der Zeit variiert, während sich die Welle (106) dreht, und der eine maximale Größe (336, 338, 342, 344, 346, 348, 350, 352) aufweist, die eine Position der Welle (106) des Motors (100, 146, 216, 300) anzeigt;

eine Motorpositionssignalquelle (36), wobei die Motorpositionssignalquelle (36) ein Motorgesteuerte- Position-Signal zum Drehen der Welle (106) des Gleichstrommotors (100, 146, 216, 300) zu einer gewünschten Position erzeugt;

eine Rückkopplungsschaltung (214), die konfiguriert ist, um ein Tatsächliche-Position-Signal zu erzeugen, das für die tatsächliche Position der Welle (106) des Gleichstrommotors (100, 146, 216, 300) repräsentativ ist, wobei das Tatsächliche-Position-Signal von der zeitlich variierenden Größe des Stroms abgeleitet ist, und die ferner konfiguriert ist, um ein Motorpositionsfehlersignal zu erzeugen, das für einen etwaigen Unterschied zwischen dem Motorgesteuerte-Position- Signal von der Motorpositionssignalquelle (36) und dem Tatsächliche-Position-Signal repräsentativ ist; und

eine Gleichspannungsquelle, wobei die Gleichspannungsquelle mit dem Gleichstrommotor (100, 146, 216, 300) gekoppelt ist;

wobei das Motorpositionsfehlersignal mit der Gleichspannungsquelle gekoppelt ist, um die Welle (106) des Gleichstrommotors (100, 146, 216, 300) auf der Basis des Motorpositionsfehlersignals zu drehen, um einen etwaigen Fehler hinsichtlich der gewünschten Position der Welle (106) des Gleichstrommotors (100, 146, 216, 300) zu korrigieren.

7. Das Steuersystem mit geschlossenem Regelkreis gemäß Anspruch 6, bei dem die Motorpositionssignalquelle (36) entweder einen Mikroprozessor oder eine Steuerungseinrichtung umfaßt.

8. Das Steuersystem mit geschlossenem Regelkreis gemäß Anspruch 6, bei dem die Rückkopplungsschaltung (214) eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) (218) umfaßt, die konzipiert ist, um das Tatsächliche-Position-Signal auf der Basis der zeitlich variierenden Größe des Stroms zu erzeugen.

9. Das Steuersystem mit geschlossenem Regelkreis gemäß Anspruch 8, bei dem die Rückkopplungsschaltung (214) ferner einen Komparator (220) umfaßt, der konfiguriert ist, um das Motorpositionsfehlersignal zu erzeugen, das für einen etwaigen Unterschied zwischen dem Motorgesteuerte-Position-Signal von der Motorpositionssignalquelle (36) und dem Tatsächliche-Position-Signal repräsentativ ist.

10. Das Steuersystem mit geschlossenem Regelkreis gemäß Anspruch 6 bei einem Druckmechanismus (20).

11. Das Steuersystem mit geschlossenem Regelkreis gemäß Anspruch 6, bei dem zwei der Wicklungen (316, 318, 320, 322) elektrisch parallel sind.

12. Ein Steuersystem mit geschlossenem Regelkreis, das folgende Merkmale aufweist:

einen Gleichstrommotor (100, 146, 216, 300), der eine Welle (106), einen Kommutator (308), welcher eine Mehrzahl von Schlitzen (310, 312, 314) aufweist und konfiguriert ist, um sich zu drehen, sowie eine Mehrzahl von Wicklungen (316, 318, 320, 322) umfaßt, wobei die Anzahl von Wicklungen (316, 318, 320, 322) der Anzahl von Schlitzen (310, 312, 314) des Kommutators (308) plus eins entspricht, und wobei der Gleichstrommotor (100, 146, 216, 300) so konfiguriert ist, daß ein Anlegen eines Konstantstroms an den Motor (100, 146, 216, 300) bewirkt, daß sich die Welle (106) dreht, und eine Spannung erzeugt, die mit der Zeit variiert, während sich die Welle (106) dreht, und die eine maximale Größe (336, 338, 342, 344, 346, 348, 350, 352) aufweist, die eine Position der Welle (106) des Motors (100, 146, 216, 300) anzeigt;

eine Rückkopplungsschaltung (214), die konfiguriert ist, um ein Tatsächliche-Position-Signal zu erzeugen, das für die tatsächliche Position der Welle (106) des Gleichstrommotors (100, 146, 216, 300) repräsentativ ist, wobei das Tatsächliche-Position-Signal von der zeitlich variierenden Größe der Spannung abgeleitet ist, und ferner konfiguriert ist, um ein Motorpositionsfehlersignal zu erzeugen, das für einen etwaigen Unterschied zwischen dem Motorgesteuerte-Position- Signal von der Motorpositionssignalquelle und dem Tatsächliche-Position-Signal repräsentativ ist; und

eine Konstantstromquelle, wobei die Konstantstromquelle mit dem Gleichstrommotor (100, 146, 216, 300) gekoppelt ist;

wobei das Motorpositionsfehlersignal mit der Konstantstromquelle gekoppelt ist, um die Welle (106) des Gleichstrommotors (100, 146, 216, 300) auf der Basis des Motorpositionsfehlersignals zu drehen, um einen etwaigen Fehler hinsichtlich der gewünschten Position der Welle (106) des Gleichstrommotors ·(100, 146, 216, 300) zu korrigieren.

13. Das Steuersystem mit geschlossenem Regelkreis gemäß Anspruch 12, bei dem die Motorpositionssignalquelle (36) entweder einen Mikroprozessor oder eine Steuerungseinrichtung umfaßt.

14. Das Steuersystem mit geschlossenem Regelkreis gemäß Anspruch 12, bei dem die Rückkopplungsschaltung (214) eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) (218) umfaßt, die konzipiert ist, um das Tatsächliche-Position-Signal auf der Basis der zeitlich variierenden Größe der Spannung zu erzeugen.

15. Das Steuersystem mit geschlossenem Regelkreis gemäß Anspruch 14, bei dem die Rückkopplungsschaltung (214) ferner einen Komparator (220) umfaßt, der konfiguriert ist, um das Motorpositionsfehlersignal zu erzeugen, das für einen etwaigen Unterschied zwischen dem Motorgesteuerte-Position-Signal von der Motorpositionssignalquelle (36) und dem Tatsächliche-Position-Signal repräsentativ ist.

16. Das Steuersystem mit geschlossenem Regelkreis gemäß Anspruch 12 bei einem Druckmechanismus (20)

17. Das Steuersystem mit geschlossenem Regelkreis gemäß Anspruch 12, bei dem zwei der Wicklungen (316, 318, 320, 322) elektrisch parallel sind.

18. Ein Verfahren zum Steuern einer Position eines Gleichstrommotors (100, 146, 216, 300) bei einem Rückkopplungssteuersystem mit geschlossenem Regelkreis (224), bei dem der Gleichstrommotor eine Welle (106), einen Kommutator (308), welcher eine Mehrzahl von Schlitzen (310, 312, 314) aufweist und konfiguriert ist, um sich zu drehen, sowie eine Mehrzahl von Wicklungen (316, 318, 320, 322) umfaßt, wobei die Anzahl von Wicklungen der Anzahl von Schlitzen des Kommutators plus eins entspricht, wobei das Verfahren (224) folgende Schritte aufweist:

Erzeugen eines Motorgesteuerte-Position-Signals zum Drehen der Welle des Gleichstrommotors zu einer gewünschten Position (224);

Erzeugen eines Tatsächliche-Position-Signals, das für die tatsächliche Position der Welle des Gleichstrommotors (228) repräsentativ ist, wobei das Tatsächliche- Position-Signal von einer zeitlich variierenden Größe eines Stroms des Gleichstrommotors (230) abgeleitet ist;

Erzeugen eines Motorpositionsfehlersignals, das für einen etwaigen Unterschied zwischen dem Motorgesteuerte-Position-Signal und dem Tatsächliche-Position- Signal (232) repräsentativ ist; und

Erzeugen einer Gleichspannung auf der Basis des Motorpositionsfehlersignals (234), um die Welle des Gleichstrommotors zu der gewünschten Position (236) zu drehen.

19. Ein Verfahren zum Steuern einer Position eines Gleichstrommotors (100, 146, 216, 300) bei einem Rückkopplungssteuersystem mit geschlossenem Regelkreis (238), bei dem der Gleichstrommotor eine Welle (106), einen Kommutator (308), der eine Mehrzahl von Schlitzen (310, 312, 314) aufweist und konfiguriert ist, um sich zu drehen, sowie eine Mehrzahl von Wicklungen (316, 318, 320, 322) umfaßt, wobei die Anzahl von Wicklungen der Anzahl von Schlitzen des Kommutators plus eins entspricht, wobei das Verfahren (238) folgende Schritte aufweist:

Er zeugen eines Motorgesteuerte-Position-Signals zum Drehen der Welle des Gleichstrommotors zu einer gewünschten Position (240);

Erzeugen eines Tatsächliche-Position-Signals, das für die tatsächliche Position der Welle des Gleichstrommotors (242) repräsentativ ist, wobei das Tatsächliche- Position-Signal von einer zeitlich variierenden Größe einer Spannung des Gleichstrommotors (244) abgeleitet ist;

Erzeugen eines Motorpositionsfehlersignals, das für einen etwaigen Unterschied zwischen dem Motorgesteuerte-Position-Signal und dem Tatsächliche-Position- Signal (246) repräsentativ ist; und

Erzeugen eines Konstantstroms auf der Basis des Motorpositionsfehlersignals (248), um die Welle des Gleichstrommotors zu der gewünschten Position (250) zu drehen.