DE3324257A1

DE3324257A1 - Gedaempfter schrittmotor zum antrieb eines messwerks, insbesondere eines rollenzaehlwerks mit einer steuerschaltungsanordnung

Info

Publication number: DE3324257A1
Application number: DE19833324257
Authority: DE
Inventors: Ulrich 6370 Oberursel Brüggemann; Walter 6231 Sulzbach Rüb
Original assignee: Mannesmann VDO AG
Current assignee: Mannesmann VDO AG
Priority date: 1983-07-06
Filing date: 1983-07-06
Publication date: 1985-01-17
Also published as: DE3466147D1; US4562395A; EP0131093B1; EP0131093A3; EP0131093A2

Description

-L

VDO Adolf Schindling AG - Γ - 6000 Frankfurt/Main j

' Gräfstraße 103 ·

} G-R Kl-kl / 1720 j

! 1. JuIi 1983 j

Gedämpfter Schrittmotor zum Antrieb eines Meßwerks, insbe- \

sondere eines Rollenzählwerks mit einer Steuerschaltungs- i

anordnung :

Die Erfindung betrifft einen gedämpften Schrittmotor zum j

Antrieb eines Meßwerks, insbesondere eines Rollenzählwerks \

mit einer wenigstens einen Verstärker als gesteuerten |

Schalter aufweisenden Steuerschaltungsanordnung nach dem ;

Oberbegriff des Anspruchs 1. ;

Zum Stand der Technik gehört ein mechanischer Wegstrecken- ;

?s zähler mit einem Elektromotor, der Ziffernräder durch einen ■

Schnecken/Schneckenradgetriebezug antreibt. Der Elektro- !

motor kann vom Schritt- oder Gleichstromtyp sein. Der \

Motor wird mit einem Erregersignal, beispielsweise einer .

Folge von bipolaren, die Fahrzeuggeschwindigkeit angebenden \

Impulsen gespeist. Um eine unerwünschte Umkehr des mit dem j Motor in Verbindung stehenden Wegstreckenzählers sowie ein

Rattern der die Drehenergie vom Motor auf die Ziffernräder \

übertragenden Getrieberäder zu unterbinden, wird ein Lager ;

nach Art einer Einwegkupplung für die Lagerung der Antriebs- ;

welle des Elektromotors verwendet (DE-OS 31 27 141). Diese !

Einwegkupplung bedingt aber eine nennenswerte Erhöhung j des Bauaufwandes und ist zudem einem Verschleiß unterworfen.

- b-

Es sind bereits viele Versuche unternommen worden, die Geräuschentwicklung von mit Schrittmotoren verbundenen Meßwerken, insbesondere Zählwerken zu dämpfen. Die Geräuschentwicklung ist besonders störend, wenn solche Meßwerke oder Zählwerke in Verbindung mit anderen, jedoch elektronisch wirkenden Anzeigeeinrichtungen eingesetzt werden, die naturgemäß praktische keine Geräusche erzeugen. Ursache für die Geräuschentwicklung der Meßwerke bzw. Zählwerke ist die diskontinuierliche Schrittbewegung des Schrittmotors. Sein Rotor schwingt aufgrund seines Massenträgheitsmomentes über die jeweils zu erreichende Sollstellung hinaus und

wieder zurück. Dadurch wird durch das üblicherweise • zwischen den Getriebeelementen - Schnecke und Schneckenrad j vorhandene Zahnflankenspiel Geräusche verursacht. Die von } dem Schrittmotor ausgelösten oszillierenden Schwingungen j werden bis zu den Zahlenrollen und Zählertrieben übertragen. ■

Bei einem zum Stand der Technik gehörenden Reihenzähler j j hat man versucht, den Einfluß von Motorschwingungen im ! Untersetzungsgetriebe durch einen hohen Übersetzungsfaktor

abzubauen, so daß die Zahlenrollen und -triebe möglichst ;

nicht mehr oszillieren. Diese hohe Übersetzung bedingt j

aber einen größeren Aufwand als ein geringerer Übersetzungs- \

faktor. ι

Es kann daran gedacht werden, eine Geräuschminderung durch j Verwendung von relativ weichen Werkstoffen für die Ge- \ triebeelemente, wie Schnecke und Schneckenrad, sowie \ Triebräder zu erzielen. - Die Herstellung dieser Teile aus weichen Werkstoffen, die mit anderen Werkstoffen an besonderen Stellen zu verbinden sind, ist aber aufwendig. Außerdem reichen solche Maßnahmen zum Erzielen der gewünschten Laufruhe oft noch nicht aus.

J J Z 4 Z

- Jf-

Weiterhin können mechanische Dämpfungseinrichtungen, insbesondere nach dem Reibkraftprinzip vorgesehen werden, durch diese Dämpfungsmaßnahme wird jedoch das nutzbare Motordrehmoment schwächer_/ und die Funktionsgrenzen des Motors werden eingeschränkt. Zum wenigstens teilweisen Ausgleich muß die Anlaufspannung bzw. die Höhe von den Motor speisenden Impulsen vergrößert werden. Dadurch ist die Anwendbarkeit von Reibungsdämpfungsmitteln begrenzt.

Auch andere mechanische Dämpfungseinrichtungen können nur bedingt und unter Schwierigkeiten eingesetzt werden, da ! sie in der Regel zusätzlichen Raum beanspruchen und/oder den Bauaufwand oder die Funktion für die Kombination des

Schrittmotors mit dem Meßwerk erhöhen.

Öldämpfungen, gegebenenfalls in Verbindung mit Epilamisieren haben den Nachteil, daß der Dämpfungsgrad wesentlich von der Ölmenge und dessen Viskosität abhängt. Bei entweichendem Öl sind Dämpfungsverringerungen oder unter Umständen Funktionsstörungen zu befürchten.

Nach einem anderen Prinzip kann der Rotor des Schrittj motors über einen Federspeicher mit den Getriebeelementen Schnecke oder Schneckenrad - verbunden werden. Ein solcher j Federspeicher kann aber nur optimal für eine Frequenz 30 ausgelegt werden, während für den Antrieb von Meßwerken der Schrittmotor üblicherweise mit einem größeren Frequenzgang, beispielsweise von 0 bis 4 Hertz, beaufschlagt wird.

Zu der vorliegenden Erfindung gehört daher die Aufgabe, einen gedämpften Schrittmotor mit einer Steuerschaltungsanordnung so auszubilden, daß eine wirksame Geräuschdämpfung ohne Herabsetzung der Funktionssicherheit bei

gleicher Erregerpulshöhe bzw. Schrittfrequenz zu erzielen. Dabei sollen die grundsätzlichen Nachteile mechanischer Dämpfungseinrichtungen, wie große übersetzung des den Schrittmotor mit dem Meßwerk koppelnden Getriebes, Verwendung relativ weicher Werkstoffe für Getriebeelemente, Reibungsdämpfungen, Öl dämpfungen oder Federspeichern, vermieden werden. Wichtig ist, daß auch bei Anwendung der j erfindungsgemäßen Dämpfung ein großer Frequenzgang der Meßimpulse fehlerfrei auf das Meßwerk weitergeleitet wird. J

j Diese Aufgabe wird durch die in dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Erfindung gelöst.

Erfindungsgemäß ist eine besonders geschickte elektrische Maßnahme getroffen, um Oszillationen des Rotors des Schrittmotors und damit Geräusche, insbesondere in einem j die Rotorbewegung auf ein Meßwerk übertragenden Getriebe, zu vermeiden. Beispielsweise wurden bei gleichbleibender

mechanischer Bauweise des Schrittmotors und des Rollen- j j Zählwerks sowie des Übertragungsgetriebes Geräuschab- j Senkungen um 8 db gemessen.

Der zustäzliche Aufwand für diese elektrische Dämpfung ist besonders gering, da sie in dem Verstärkerkreis angeordnet ist. Die Dämpfung wird so groß gewählt, daß die Flanken des normalerweise annähernd rechteckförmigen Impulses, der den Schrittmotor speist, nach einer Ausgleichsfunktion abgeflacht werden. Die Impulse setzen, wie es sich aus der weiter unten erläuterten Zeichnung U.., in Beziehung zu U_Mp ergibt, praktisch unverzögert ein und verlaufen mit abnehmender Steilheit bis zu dem waagerechten Impulsteil. Mit umgekehrtem zeitlichen Verlauf flachen die Impulse wieder ab, wobei eine Verlängerung des Impulses im Bereich

-y-

kleinerer Energie eintritt. Die grundsätzliche Phasenbeziehung zwischen zwei Impulsfolgen, mit denen beispielsweise zwei Spulen des Schrittmotors um 180 elektrische Grad versetzt gespeist werden, bleibt aber erhalten.

in einer typischen besonders vorteilhaften Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 genügt als Gegenkopplungs-Kondensator ein Kondensator mit einer Kapazität von etwa 4 bis 5 μΡ.

Dieser Kondensator ist wenig aufwendig und kompakt etwa im Gegensatz zu einer Abflachung der die Spulen speisenden Impulsfolgen mit zwei den Spulen unmittelbar parallelgeschalteten Kondensatoren. In Versuchen wurden im letztgenannten Fall Kondensatorkapazitäten in der Größenordnung von 200 bis über 450 μΡ als notwendig gefunden.

Besonders bemerkenswert ist, daß wegen dieser elektrischen Dämpfung die Anlaufspannung (Impulshöhe) nur geringfügig zu erhöhen war, während sich die größtzulässige Schrittfrequenz fast verdoppelte.

Weiterhin ist bemerkenswert, daß bei Verwendung eines niederfrequenten Einphasenschrittmotors mit einem Zweispulensystem nur der die eine Spule speisende Verstärker als Verzögerungsglied erster Ordnung auszubilden war, während der zweite Verstärker ohne besondere Maßnahmen konventionell beibehalten werden konnte. Dadurch ergibt sich eine weitere Herabsetzung des Aufwandes zur Geräuschdämpfung. Diese vorteilhafte Wirkung ist durch die infolge

^3b des verzögerten Abklinges der Impulse, die in die eine Spule eingespeist werden, erreichten Überlappung der Spulenerregung erklärbar.

Die Erfingung wird im folgenden anhand einer Zeichnung mit vier Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild der mit dem Schrittmotor verbundenen Steuerschaltungsanordnung;
Fig. 2 ein Pulsdiagramm der Meßimpulse;

Fig. 3 ein Pulsdiagramm der Spannung U „, mit der eine der

beiden Spulen des Schrittmotors erregt wird und
Fig. 4 ein entsprechendes Impulsdiagramm für die Folge der verzögerten Impulse U ,, mit denen die andere Spule gespeist wird.

In Figur 1 ist mit 1 ein niederfrequenter Einphasenschrittmotor mit einem Zweispulensystem dargestellt, dessen beide Spulen mit 2 und 3 bezeichnet sind. Der Schrittmotor ist
dazu vorgesehen _t ein nicht dargestelltes Rollenzählwerk
bzw. einen Reihenzähler über ein ebenfalls nicht dargestelltes Getriebe anzutreiben.

Die elektrische Steuerschaltungsanordnung zur Erzeugung
der Impulse nach den Figuren 3 und 4, die auch als Speiseimpulse für den Schrittmotor bezeichnet werden, umfaßt im
wesentlichen zwei als gesteuerte Schalter betriebene Verstärker-Transistoren 4 und 5 sowie einen den Verstärker-Transistor steuernden Treiber-Transistor 6.

f Der Treiber-Transistor wird von einem nicht dargestellten
Meßwertgeber an der Klemme 7 über einen Inverter 8 mit { Meßimpulsen gemäß Figur 2 gespeist. Der Treiber-Transistor steuert seinerseits den Verstärker-Transistor 4, der somit Speiseimpulse für die Spule 3 erzeugt, die im wesentlichen rechteckförmig sind, wie die Spannung U _ iⁿ Figur 3 zeigt.

Um 180 elektrische Grad phasenverschoben zu den Speiseimpulsen in Figur 3 werden durch den Verstärker-Transistor
5 Speiseimpulse für die Spule 2 erzeugt. Der Verstärker-Transistor 5 wird hierzu durch den Verstärker-Transistor 4
geöffnet, wenn dieser gesperrt ist, und umgekehrt entsprechend wird der Verstärker-Transistor 5 gesperrt, wenn
der Verstärker-Transistor 4 leitet. Der Verlauf der Impulse
U , ist aber nicht genau analog zu dem Verlauf der Impulse

Vielmehr werden die Flanken der Impulse U , gemäß Figur 4 ί

abgeflacht. Hierzu ist eine Rückkopplung von dem Kollektor }

des Verstärker-Transistors 5 über den Kondensator 9 zu der f

Basis dieses Verstärker-Transistors vorgesehen. Der |

Kondensator 9 ist hierzu zwischen dem Kollektoranschluß j

und einem Spannungsteiler 10, 11 angeschlossen, während der j

Spannungsteiler über einen Vorwiderstand 12 mit der Basis j

des Verstärker-Transistors 5 gekoppelt ist. Die in Figur 1 !

noch gezeigten Dioden 13 und 14 dienen zum Abbau von Um- j

Schalt-Spannungsspitzen. Ein Kondensator 15 ist zur Stör- ;

2b Spannungsunterdrückung zur Entstörung eines Radioempfangs j

zwischen die gemeinsame Verbindung der Dioden 13, 14 und j

Masse eingeschaltet. Schließlich dienen eine Diode 16 zur j

Spannungsstabilisierung einer Batteriespannung an den j

Klemmen 31 und 15' sowie eine Widerstandskondensator- \

I kombination 17, 18 zur Spannungsglättung, bzw. Unterdrückung j

von Störimpulsen. \

Der Schrittmotor legt pro 1 Hertz Impulsfrequenz des j Meßimpulses zwei Schritte zurück, und zwar wegen der I

Dämpfung der Speiseimpulse<nur> der einen Spule 2 unter
minimaler Geräuschentwicklung.

-Af-

Die in Figur l dargestellte Schaltungsanordnung dient also zur Beeinflussung unipolarer Speiseimpulse, die in eine Spule eines Schrittmotors eingespeist werden. Die Schaltungsanordnung arbeitet mit üblichen Meßimpulsen.

Eine besonders geeignete Dimensionierung der Mittel zum Erzielen eines verzögerten Zeitverhaltens eines Verstärker Transistors sieht einen den Verstärker-Transistor rückkoppelnden Kondensator von 4,7 μΡ und einen Basis-Vorwiderstand von 560»Π vor.

- Leerseite -

Claims

Patentansprüche:

Gedämpfter Schrittmotor zum Antrieb eines Meßwerks, insbesondere eines Rollenzählwerks, mit einer wenigstens einen Verstärker als gesteuerten Schalter aufweisenden Steuerschaltungsanordnung, durch die Spulen des Schrittmotors mit annähernd rechteckförmigen Impulsen nach Maßgabe von durch einen Meßgeber gelieferten Meßimpulsen gespeist werden,
dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (Verstärker-Transistor 5) als Verzögerungsglied erster Ordnung ausgebildet ist, so daß die Flanken der in wenigstens eine Spule eingespeisten Impulse (Fig. 4) abgeflacht werden.
2. Gedämpfter Schrittmotor mit Steuerschaltungsanordnung, dadurch gekennzeichnet., daß der Verstärker (Verstärker-Transistor 5) zur Bildung des verzögerten Zeitverhaltens mit einem Kondensator (9) gegengekoppelt ist.
3. Gedämpfter niederfrequenter Einphasenschrittmotor mit Zwei-Spulen-System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nur eine (2) der beiden Spulen (2, 3) durch den j als Verzögerungsglied ausgebildeten Verstärker (Ver- | stärker-Transistor 5) gespeist wird, während die zweite (3) der beiden Spulen über einen unverzögerten i Verstärker (Verstärker-Transistor 4) beaufschlagt wird.