IT8347797A1

IT8347797A1 - Circuito pilota per un motore passo a passo

Info

Publication number: IT8347797A1
Application number: ITRM1983A047797A
Authority: IT
Original assignee: Rca Corp
Priority date: 1982-03-05
Filing date: 1983-02-25
Publication date: 1984-08-25
Also published as: IT1167625B; US4450394A; IT8347797A0; FR2530891A1; GB2116385A; GB8305459D0; JPS58163300A; DE3307771A1; KR840004325A

Description

*t/ OiJ 'tZ/p-L

RCA 77.995

Descrizione dell'invenzione avente pergitolo:

"CIRCUITO Pl???A PER UN MOTORE PA58? A PASSO" a nome: RCA CORPORATION

RIASSUNTO

La presente invenzione si riferisce ad un circuito pilota semplificato utilizzabile per alimentare una corrente bipolare pilota ad un motore passo a passo, detto circuito includendo un commutatore tsrX per collegare, alternativamente, un primo terminale (>Cf) dell'avvolgimento statorico tra il potenziale di alimentazione C3CT) e la massa circuitale {?&)? Il secondo terminale dell'avvolgimento ? collegato in modo tale da alimentare il potenziale, per mezzo di un resistore 4?rT ed ? collegato alla massa circuitale per mezzo della combinazione parallelo di un secondo resistore CR2T) e di un condensatore Il condensatore opera, alternativamente, come un corto circuito quando il potenziale di alimentazione viene applicato al primo terminale dell'avvolgimento e come una batteria quando il primo terminale dell'avvolgimento risiata collegato alla massa circuitale?

feSSK?gGNg DELL ? INVENZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un complesso circuitale per pilotare la bobina statorica di un motore passo a passo e per fornire, in modo pi? specifico, una corrente pilota bipolare, presentante due ampiezze, alla bobina del motore, dipendente dai requisiti istantanei di coppia del motore?

Tipicamente, le bobine statoriche dei motori bipolari passo a passo vengono pilotate per mezzo di amplificatori a ponte i quali commutano, in effetti, la polarit? di un potenziale di alimentazione ai capi della bobina? Questi circuiti richiedono l'impiego di almeno quattro transistori pilota per lo svolgimento della funzione richiesta di commutazione? Inoltre, per variare l'ampiezza della corrente circolante nella bobina, ad esempio quando il motore si trova nel modo operativo di mantenimento, in contrapposizione al modo operativo di comando, devono venire previsti mezzi appropriati per alterare il potenziale pilota, per alterare l'impedenza di pilotaggio o per limitare il segnale pilota, in modo tale da ottenere parametri "medi" selezionabili di pilotaggio, e cos? via? Il complesso circuitale necessario per consentire questa regolazione della corrente circolante nella bobina comporta, normalmente, una complicazione del sistema, determina un aumento dei costi del sistema, aumenta la voluminosit? del complesso e determina pure un aumento dell?energia dissipata dal complesso circuitale pilota?

Alcune applicazioni dei motori passo a passo richiedono il funzionamento del motore in un modo corrispondente ad una coppia di valore elevato, per intervalli di tempo relativamente brevi, mentre la parte principale del ciclo di funzionamento corrisponde con un movimento passo a passo, ad una -velocit? di-basso valore, per cui le richieste concernenti la corrente circolante nella bobina sono rappresentate prevalentemente dalle correnti di mantenimento? Ad esempio, in un riproduttore di videodischi, un motore passo a passo pu? venire utilizzato per pilotare un carrello supportante il trasduttore utilizzato per il recupero del segnale registrato? All'inizio della riproduzione ? desiderabile che il carrello venga spostato in modo rapido per cercare l'inizio della pista registrata sul disco? Il ritmo di movimento passo a passo del motore pu? essere dell'ordine di 300 passi al secondo e, in questo caso, il motore deve operare con una coppia di valore elevato? Tuttavia, durante la normale riproduzione, il carrello deve spostarsi lentamente, in consonanza con il trasduttore che segue la pista del disco? In questo modo, il motore pu? operare al ritmo di 1-2 passi al secondo, tale motore operando, in queste condizione, con una coppia di basso valore? In generale, sia il motore, sia il circuito pilota del motore possono venire pilotati in eccesso per brevi intervalli di tempo e questo non deve comportare la formazione di danni n? al motore n? al circuito di pilota corrispondente? Pertanto, a titolo di esempio, un motore da 6 V pu? venire eccitato con una tensione di 20 volt per periodi di tempo troppo brevi da provocarne un riscaldamento? L'invenzione in oggetto sfrutta vantaggiosamente questa caratteristica nella progettazione di un circuito pilota per un motore bipolare passo a passo, in grado di fornire coppie di valore elevato per particolari ritrai di ripetizione dei passi, in grado di assorbire una corrente di mantenimento di basso valore e che risulti meno complicato e meno costoso di un classico complesso circuitale pilota, del tipo a ponte, presentante caratteristiche di pilotaggio analoghe? . ? ? ?

?<5/?????- ???.? ?.&'

L'invenzione in oggetto, per il pilotaggio della bobina statorica di un motore a passi successivi, include ama coppia di commutatori collegati ad un terminale della bobina per applicare, alternativamente, un potenziale di alimentazione relativamente positivo e relativamente negativo? Il secondo terminale della bobina ? collegato in serie ad un primo resistore e ad un secondo resistore i quali presentano i rispettivi altri terminali collegati, rispettivamente, ai potenziali di alimentazione relativamente positivo e relativamente negativo* Il secondo terminale della bobina ? pure collegato in serie ad un condensatore,mentre l'altro terminale ? collegato ad uno dei potenziali di alimentazione?

I commutatori vengono chiusi in modo selettivo (vale a dire spostati per passi successivi) in modo tale da determinare il senso di circolazione della corrente della bobina? In corrispondenza di elevati ritmi di ripetizione dei passi, il condensatore assorbe la corrente circolante attraverso la bobina, dal terminale di alimentazione alla massa circuitale, mentre durante le fasi alternate di commutazio? ne opera come una sorgente, vale a dire come una batteria, con circolazione della corrente inversa verso massa, attraverso la bobina, la corrente circolante attraverso la bobina essendo limitata soltanto dall?impedenza di pilotaggio dei commutatori e dalla resistenza propria della bobina? Poich? il motore passo a passo viene pilotato in eccesso, lo stesso pu? sviluppare una coppia media di valore relativamente elevato? In corrispondenza di bassi ritmi di ripetizione dei passi, quando un dato commutatore risulta chiuso, il condensatore opera, inizialmente, come un corto circuito, trasferendo un impulso di corrente di valore relativamente elevato attraverso la bobina? La corrente circolante attraverso la bobina carica infine il condensatore e questo riduce il potenzialle ai capi della bobina e, di conseguenza, riduce la corrente circolante attraverso,la bobina stessa? Dopo che il condensatore ? stato caricato, l?ulteriore corrente della bobina viene fornita attraverso uno dei due resistori,mentre la corrente della bobina viene limitata al valore desiderato della corrente di mantenimento?

La presente invenzione risulter? pi? evidente dall?analisixd?lla seg?eaiede serizipn^^tt agliata, la quale deve essere considera ta in unione al disegno? aHegatsV nel quale:

?/v2-*Se.

la figura 1 costituisce un diagramma schematico di un circuito pilota della bobina di un motore passo a passo incorporante i principi caratteristici della presente invenzione;

le figure 2 e 3 costituiscono diagrammi schematici di circuiti elettronici che possono venire adottati per la realizzazione del commutatore Si rappresentato schematicamente nella figura 1; e

le figure 4 e 5 rappresentano diagrammi dei tempi della corrente circolante nella bobina per il circuito rappresentato nella figura 1, operante con un elevato ed un basso ritmo di ripetizione dei passi, rispettivamente?

>. 0-^???AJ? ?Mj,

Il circuito rappresentato nella figura 1 costituisce un complesso pilota, o di comando, per una fase di un motore bipolare del tipo a passi successivi, vale a dire passo a passo? Tipicamente, questo tipo di motore passo a passo presenta due fasi e, conseguentemente, vengono richiesti due circuiti di questo tipo per l'eccitazione del motore? Le due fasi vengono generalmente eccitate in accordo con una relazione relativa di fase di 90 gradi?

In conformit? a quanto indicato nella figura 1, un primo terminale 20 della bobina di un motore passo a passo ? collegato ad una linea 30 alimentante un potenziale di alimentazione relativamente positivo, attraverso un resistore R1 presentante un valore di 1V1 kohm, mentre risulta collegato ad un conduttore 40 di alimentazione di un potenziale relativamente negativo, per mezzo di un resistore Ri presentante un valore resistivo di 1,1 kohm? Un condensatore CI, presentante un valore capacitivo di 100 microfarad, ? collegato fra il primo terminale 20 della bobina ed il conduttore di alimentazione 40? Il secondo terminale 10 della bobina ? collegato al polo del commutatore tinipolare a due vie SI i cui contatti sono collegati al conduttore di alimentazione positivo (30) e negativo (40), rispettivamente?

Verr? ora descritto il principio di funzionamento del circuito rappresentato nella figura 1? _Si assuma che la bobina del motore passo a passo presenti una resistenza interna di 30 ohm ed una induttanza di 40 min ihenry.inoltre, si assuma che il valore della corrente di mantenimento della particolare applicazione del motore presenti un basso valore pari, ad esempio, a circa 20 milliampere e che in corrispondenza dell*inizio del ciclo, il terminale 10 risulti collegato alla massa circuitale (40) e che il condensatore C1 risulti scarico. In corrispondenza dell'istante t (figura 5)* il commutatore S1 collega il terminale 10 alla tensione di alimentazione di 20 volt? Poich? il condensatore C1 presenta un elevato valore capacitivo, lo stesso si comporta, essenzialmente, come un corto circuito verso massa, rispetto alla tensione di ingresso con funzione a gradino attraverso la connessione serie della bobina e del condensatore? La velocit? iniziale di incremento della corrente di/dt viene governata dall'induttanza L della bobina e la stessa ? data, approssimartivamente, da di/dt ? v/L? La corrente massima possibile si approssima a V/Rc, in cui V rappresenta la tensione applicata, mentre Rc costituisce la resistenza della bobina? Appena dopo il raggiungimento del valore di picco, la corrente della bobina inizia a diminuire con una costante di tempo ? = Rc C1 man mano che il condensatore CI si carica verso il po-r_. tenziale VR2/(R2 Rc) costituente il potenziale di equilibrio in corrispondenza del terminale 20, stabilito dal divisore resistivo formato da Rc e R2 ai capi della sorgente che fornisce la tensione di V volt? Deve essere rilevato che il resistore RI viene ignorato nella determinazione del potenziale di equilibrlo poich? lo stesso risulta molto maggiore di R ? Dopo il raggiungimento del potenziale di ec

quiiibrio in corrispondenza del terminale 20, la corrente circolante attraverso la bobina viene determinata sostanzialmente dal resistere H2? Questo valore della corrente rappresenta la corrente di mantenimento, mentre il resistere R2 viene selezionato in modo tale da garantire 1*ottenimento di una corrente, negli avvolgimenti statorici, di valore sufficiente a mantenere il rotore fisso nella particolare applicazione? Nel circuito illustrate , la corrente di mantenimento ? pari, approssimativamente, a 18 milliampere?

Dall?analisi della figura 5 pu? essere rilevato che poich? la potenza risulta proporzionale alla corrente e poich? la corrente di picco viene convogliata per una porzione proporzionatamente breve di un ciclo di comando a passi successivi, il circuito dis? _ siper? una potenza media per passo di valore relativamente piccolo, vale a dire dissiper? una potenza pari a 20V x 18mA, ossia pari a 360 millivatt, nei confronti di una potenza di circa 13 watt associata alla corrente continua di picco?

Per il passo negativo, il commutatore Si collega il terminale 10 alla massa circu?tale,mentre il che

condensatore Ci/? state caricato sostanzialmente al potenziale V che si rende disponibile sul conduttore positivo opera, inizialmente, come una batteria in grado di alimentare una corrente, in senso opposto, attraverso la bobina. L'impulso iniziale di corrente, di polarit? negativa, raggiunge una ampiezza approssimativamente uguale a quella dell'impulso positivo precedentemente descritto, mentre, successivamente, questo impulso decade con una costante di tempo

= Rc C1 finch? il potenziale ai capi del condensatore raggiunge il valore di equilibrio dato da VR^ (Rl Rc)? In corrispondenza di questo potenziale, la corrente di mantenimento viene mantenuta, nella bobina, attraverso il resistore R1, ad un valore pari, approssimativamente, a 18 milliampere nel circuito illustrato. Dall'analisi precedentemente riportata e dalla forma d'onda indicata nella figura 5, pu? essere rilevato che il circuito ? in grado di fornire un pilotaggio in corrente, bipolare e sostanzialmente simmetrico per la bobina statorica?

Nel modo operativo corrispondente ad una coppia di valore elevato, vale a dire ad un elevato ritmo di ripetizione dei passi, viene richiesta una colorente di mantenimento di valore significativamente maggiore di quella associata ad un modo corrispondente ad un basso ritmo di ripetizione dei passi e, pertanto, l'inerzia dell'elemento comandato non deve ruotare i poli rotorici di fronte alle bobine statoriche con spostamento in imo stato in cui la posizione rotorica non risulti esattamente controllata dagli impulsi di comando per il movimento passo a passo? L'elevata corrente di mantenimento viene ottenuta progettando il circuito in modo tale che la corrente possa venire pilotata da tensioni in eccesso,mentre la corrente della bobina deve ancora crescere al termine del periodo corrispondente al passo? Malgrado il fatto che la corrente circolante nella bobina non ha raggiunto il proprio valore massimo al teiroine di un periodo di un passo, vale a dire l'ampiezza massima che pu? venire ottenuta nel modo corrispondente ad un basso ritmo di ripetizione dei passi, la stessa avr? conseguito un valore maggiore del valore della corrente raccomandato per il pilotaggio della bobina? L'effetto della commutazione prima che la colorente raggiunga il proprio valore massimo, ? rappresentato dal fatto che, in effetti, la corrente di mantenimento risulta maggiore della corrente pilota, tendendo in tal modo a garantire un controllo pi? esatto della posizione del rotore? Tuttavia, deve essere ricordato che quando vengono adottate sovratensioni per produrre la corrente media richiesta di mantenimento, il funzionamento in corrispondenza di un elevato ritmo di ripetizione dei passi non pu? venire mantenuto per periodi di tempo significativi poich? , in questo caso, si verificherebbe un surriscaldamento del motore? La forma d'onda rappresentativa dell'andamento della corrente circolante nella bobina, in funzione del tempo, rappresentata nella figura 4, esemplifica questo modo di funzionamento? Deve essere rilevato che per situazioni per le quali il motore viene pilotato in eccesso, i parametri circuitali possono pure venire scelti in modo tale da condizionare il circuito della bobina al raggiungimento del proprio valore massimo della corrente durante un periodo del passo consentendo il mantenimento di un tempo sufficiente perch? possa verificarsi l'inizio del decadimento della corrente? Pu? essere tollerato un decadimento anche relativamente ampio durante-il periodo-del passo ossia, ad esempio, pu? essere adottato un valore pari, ad esempio, al 30% a condizione che la corrente "media" entro il periodo del passo, sia sufficiente a garantire il controllo del rotore, vale a dire la posizione del rotore o il sincronismo rotore-statore in corrispondenza del particolare ritmo di ripetizione dei passi? Deve essere rilevato che possono venire adottati ritmi di ripetizione compresi fra un ritmo elevato di 300 passi al secondo ed un ritmo corrispondente ad un basso numero di passi al secondo quando la corrente media di mantenimento risulta insufficiente a controllare l'inerzia dell'elemento comandato?

La figura 2 rappresenta un diagramma schematico di un commutatore elettronico utilizzabile in sostituzione del commutatore SI riportato nella figura 1? Il circuito schematizzato nella figura 2 ? costituito da un invertitore conprendente la connessione serie di transistori ad effetto di campo, di tipo complementare? Nel circuito, un transistore P1, di tipo ?, operante in regime di arricchimento, ? collegato fra il potenziale positivo ed un terminale di uscita 10' al quale risulta collegato il secondo terminale della bobina? Uh transistore NI, di tipo n, operante nel modo ad arricchimento, ? collegato fra il potenziale relativamente negativo ed il terminale ? di uscita 10'? Gli elettrodi di controllo di entrambi i transistori P1 e N1 sono collegati al terminale di ingresso IN in corrispondenza del quale vengono alimentati gli impulsi di controllo dei passi? Quando un potenziale di controllo, relativamente positivo, viene applicato al terminale di ingresso, il transistore NI passa allo stato di conduzione nel modo a sorgente comune, collegando il terminale 10' al terminale relativamente negativo attraverso un<1>impedenza scarico-sorgente di valore relativamente contenuto. Alternativamente, quando un potenziale di controllo relativamente basso viene applicato al teminaie di ingresso, il transistore PI conduce nel modo a sorgente comune, collegando il terminale 10* al potenziale relativamente positivo, attraverso un impedenza scarico-sorgente di valore relativamente basso? Quando gli impulsi di controllo di ingresso variano fra potenziali relativamente positivo e relativamente negativo, i due transistori condurranno alternativamente, mentre il transistore operante in regime di non conduzione, o di interdizione presenter?, nei confronti del terminale di uscita, un?impedenza di

5

valore elevato dell*ordine di 10 ohm o di valore superiore? Pertanto, il circuito schematizzato nella figura 2 operer? come un -commutatore-elettronico unipolare a due vie?

Il circuito schematizzato nella figura 3 rappresenta un commutatore elettronico sostituibile al commutatore SI? In conformit? a quanto rappresentato nella figura 3, un potenziale positivo applicato all'elettrodo di base del transistore Q1 condiziona alla conduzione il transistore Q1 considerato, con conseguente assorbimento di corrente dal terminale di uscita 10", attraverso il diodo D1? La corrente convogliata attraverso il diodo DI svilupper? un potenziale ai capi dello stesso, tale potenziale venendo applicato fra gli elettrodi di base e di emettitore del transistore Q2 a conduttivit? di tipo npn, con conseguente polarizzazione inversa della giunzione base-emettitore del transistore Q2, mantenendo in tal modo lo stesso allo stato di non conduzione? Il potenziale di collettore del transistore Q2 viene mantenuto al potenzielle positivo di alimentazione per mezzo di un resistore R4 il quale polarizza pure allo stato di non conduzione il transistore Q3 a conduttivit? di tipo pnp?

Un potenziale relativamente negativo applicato all'elettrodo di base del transistore Q1 consente di commutare lo stesso allo stato di non conduzione? Il potenziale di collettore del transistore Q1 viene aumentato sino al raggiungimento del valore del potenziale di alimentazione, attraverso il resistore di collettore R3 collegato al terminale positivo di alimentazione? L'elevato potenziale presente sul collettore del transistore Q1 polarizza il transistore Q2 allo stato di conduzione, fornendo in tal modo vma corrente di emettitore al terminale 10"? Quando il transistore Q2 risulta allo stato di conduzione, lo stesso assorbe la corrente di base dal transistore Q3 a conduttivit? di tipo pnp, polarizzando in tal modo allo stato di conduzione il transistore Q3, in un modo ad emettitore comune, collegando il terminale 10" al potenzielie di alimentazione relativamente positivo, attraverso il circuito collettore-emettitore del transistore Q3? Pertanto, il circuito rappresentato nella figura 3 simula un commutatore unipolare a due vie controllato dagli impulsi di potenziale applicati all*elettrodo di base del transistore Q1? I transistori scelti per l?impiego nei circuiti rappresentati nelle figure 2 e 3 possono venire scelti, in generale, rispetto alla dissipazione di potenza, con caratteristiche nominali corrispondenti ai requisiti di pilotaggio nel modo corrispondente ad un basso ritmo di ripetizione dei passi? Tipicamente, questi dispositivi possono venire pilotati in eccesso per brevi periodi di tempo, vale a dire per i brevi periodi di tenpo durante i quali il circuito passa nel modo corrispondente ad un elevato ritmo di ripetizione dei passi, senza che si verifichino danni ai dispositivi? Poich? i requisiti di potenza nel modo corrispondente ad un basso ritmo di ripetizione dei passi risultano contenuti, il circuito pu? venire realizzato con l?impiego di elementi poco costosi? RIVENDICAZIONI

1? Complesso circuitale per garantire un pilotaggio bipolare per un avvolgimento di un motore, detto avvolgimento presentando un primo terminale ed un secondo terminale, caratterizzato dal fatto che comprende:

un primo terminale di alimentazione ed un secondo terminale di alimentazione per applicare potenziali di alimentazione relativamente positivi e relativamente negativi, rispettivamente;

mezzi di commutazione per accoppiare alternativamente detto primo terminale dell?avvolgimento a detti primo e secondo terminali di alimentazione;

un primo mezzo ad impedenza, in corrente continua (,RT) ed un secondo mezzo ad impedenza, in colorente continua rispettivamente collegati fra il ? ?

primo terminale di alimentazione ed il secondo terminale di alimentazione ed il secondo terminale (da<*>) dell*avvolgimento'; e

un condensatore {&V) collegato fra il secondo terminale dell'avvolgimento ed un punto a potenziale fisso?

2? Complesso circuitale secondo la rivendicazione 1( caratterizzato dal fatto che detti mezzi di commutazione sono costituiti da un commutatore unipolare a due vie presentante il proprio polo collegato al primo terminale dell<1>avvolgimento e presentano il primo contatto ed il secondo contatto rispettivamente collegati a detto primo terminale di alimentazione ed a detto secondo terminale di alimentazione?

3? Complesso circuitale secondo la rivendicazione 2? caratterizzato dal.fatto che..detto commutatore unipolare a due vie viene realizzato con l'impiego di un circuito includente un primo transistore ed un secondo transistore i quali presentano i rispettivi percorsi principali di conduzione rispettivamente accoppiati fra il primo terminale ed il secondo terminale di alimentazione ed il primo terminale dell'avvolgimento e dal fatto che risultano condizionati in modo tale da condurre alternativamente?

4* Complesso circuitale secondo la rivendicazione 1, 2 o 3, caratterizzato dal fatto che detti primi e secondi mezzi ad impedenza, in corrente continua sono rappresentati da un primo resistere e da un secondo resistore

^Milane-,

RIASSUNTO

> La presente invenzione si riferisce ad un cir u o ai. u oci m (J) cuito pilota semplificato utilizzabile per alimenta ?- o d re m a corrente bipolare pilota ad un motore passo LL ?? c a passo, detto circuito includendo un commutatore

(SI) per collegare, alternativamente, un primo terminale (10) dell'avvolgimento statorico tra il poi tenziale di alimentazione (30) e la massa circuita?

^ ?L

le (40)- Il secondo terminale (20) dell'avvolgimento ? collegato in modo tale da alimentare il potenziale, per mezzo di un resistore (Ri) ed ? collegato alla massa circuitale per mezzo della combinazione parallelo di un secondo resistore (R2) e di un condensatore (C1)? Il condensatore opera, alternativamente, come un corto circuito quando il poten

? ? U F F I C I O B R EV ETTI

Ing. C GREG0RJ ziale di alimentazione viene applicato al primo terminale dell'avvolgimento e come una batteria quando il primo terminale dell'avvolgimento risulta collegato alla massa circuitale?

DESCRIZIONE DELL'INVENZIONE

Tipicamente, le bobine statoriche dei motori bipolari passo a passo vengono pilotate per mezzo di amplificatori a ponte ? quali commutano, in effetti, la polarit? di un potenziale di alimentazio-_ ne ai capi della bobina? Questi circuiti richiedono l'impiego di almeno quattro transistori pilota per lo svolgimento della funzione richiesta di commutazione? Inoltre, per variare l'ampiezza della corrente circolante nella bobina, ad esempio quando il motore si trova nel modo operativo di mantenimento, in contrapposizione al modo operativo di comando, devono venire previsti mezzi appropriati per alterare il potenziale pilota, per alterare l'impe

U FFI C I O B R E VETTI

<,?>9? C GREGORJ denza di pilotaggio o per limitare il segnale pilota, in modo tale da ottenere parametri ?medi" selezionabili di pilotaggio, e cos? via? Il complesso circuitale necessario per consentire questa regolazione della corrente circolante nella bobina comporta, normalmente, una complicazione del sistema, determina un aumento dei costi del sistema, alimenta la voluminosit? del complesso e determina pure un aumento dell*energia dissipata dal complesso circuitale pilota?

Alcune applicazioni dei motori passo a passo richiedono il funzionamento del motore in un modo corrispendente ad una coppia di valore elevato, per intervalli di tempo relativamente brevi, mentre la parte principale del ciclo di funzionamento corrisponde con un movimento passo a passo, ad una velocit? di basso valore, per cui le -richieste concernenti la corrente circolante nella bobina sono rappresentate prevalentemente dalle correnti di mantenimento? Ad esempio, in un riproduttore di videodischi, un motore passo a passo pu? venire utilizzato per pilotare un carrello supportante il trasduttore utilizzato per il recupero del segnale registrato? All'inizio della riproduzione ? desiderabile che il carrello venga spostato in modo rapido

? *r ? ~...^?? DNtvtrTI

<(>ng. C GREG0RJ

per cercare l'inizio della pista registrata sul disco? Il ritmo di movimento passo a passo del motore pu? essere dell'ordine di 300 passi al secondo e( in questo caso, il motore deve operare con una coppia di valore elevato? Tuttavia, durante la normale riproduzione, il carrello deve spostarsi lentamente, in consonanza con il trasduttore che segue la pista del disco? In questo modo, il motore pu? operare al ritmo di 1-2 passi al secondo, tale motore operando, in queste condizione, con una coppia di basso valore? In generale, sia il motore, sia il circuito pilota del motore possono venire pilotati in eccesso per brevi intervalli di tempo e questo non deve comportare la formazione di danni n? al motore n? al circuito di pilota corrispondente? Pertanto, a titolo di esempio, un motore da 6 V pu? venire eccitato con una tensione di 20 volt per periodi di tempo -troppo brevi da provocarne un riscaldamento? L'invenzione in oggetto sfrutta vantaggiosamente questa ca^-ratteristica nella progettazione di un circuito pilota per un motore bipolare passo a passo, in grado di fornire coppie di valore elevato per particolari ritmi di ripetizione dei passi, in grado di assorbire una corrente di mantenimento di basso valore e che risulti meno complicato e meno costoso di un

e u r ri LJ l U BR EVETTI

<5 " >r ^SEOrrj

classico complesso circuitale pilota, del tipo a ponte, presentante caratteristiche di pilotaggio analoghe?

L'invenzione in oggetto, per il pilotaggio della bobina statorica di un motore a passi successivi, include una coppia di commutatori collegati ad un terminale della bobina per applicare, alternativamente, un potenziale di alimentazione relativamente positivo e relativamente negativo? Il secondo terminale della bobina ? collegato in serie ad un primo resistore e ad un secondo resistore i quali presentano i rispettivi altri terminali collegati, rispettivamente, ai potenziali di alimentazione relativa^ mente positivo e relativamente negativo? Il secondo terminale della bobina ? pure collegato in serie ad un condensatore,mentre l'altro terminale ? collegato ad uno dei potenziali di alimentazione? -I commutatori vengono chiusi in modo selettivo (vale a dire spostati per passi successivi) in modo tale da determinare il senso di circolazione della corrente della bobina? In corrispondenza di elevati ritmi di ripetizione dei passi, il condensatore assorbe la corrente circolante attraverso la bobina, dal terminale di alimentazione alla massa circuitale, mentre durante le fasi alternate di commutazio

U FFI C I O B RE V ETTI

C GREGGRJ

ne opera come una sorgente, vale a dire come m a batteria, con circolazione della corrente inversa verso massa, attraverso la bobina, la corrente circolante attraverso la bobina essendo limitata soltanto dall'impedenza di pilotaggio dei commutatori e dalla resistenza propria della bobina? Poich? il motore passo a passo viene pilotato in eccesso, lo stesso pu? sviluppare ma coppia media di valore relativamente elevato? In corrispondenza di bassi ritmi di ripetizione dei passi, quando m dato commutatore risulta chiuso, il condensatore opera, inizialmente, come m corto circuito, trasferendo m impulso di corrente di valore relativamente elevato attraverso la bobina? La corrente circolante attraverso la bobina carica infine il condensatore e questo riduce il potenziale ai capi della bobina e, di conseguenza, riduce la corrente circolante attraverso la bobina stessa? Dopo che il condensatore ? stato caricato, l'ulteriore corrente della bobina viene fornita attraverso uno dei due resistori,mentre la corrente della bobina viene limitata al valore desiderato della corrente di mantenimento?

La presente invenzione risulter? pi? evidente dall'analisi della seguente descrizione dettagliata, la quale deve essere considerata in unione al dise

U FFI C I O B R E V ETTI

?n<g>. C GREGGRJ gno allegato, nel quale:

le figure 2 e 3 costituiscono diagrammi schematici di circuiti elettronici che possono venire adottati per la realizzazione del commutatore S1 rappresentato schematicamente nella figura 1; e

In conformit? a quanto indicato nella figura 1, un primo terminale 20 della bobina di un motore pas

Inq.C GREGGRJ

so a passo ? collegato ad una linea 30 alimentante un potenziale di alimentazione relativamente positivo, attraverso un resistore RI presentante un valore di 1,1 kohm, mentre risulta collegato ad un conduttore 40 di alimentazione di un potenziale relativamente negativo, per mezzo di un resistore Ri presentante un valore resistivo di 1,1 kohm? Un condensatore C1, presentante un valore capacitivo di 100 microfarad, ? collegato fra il primo terminale 20 della bobina ed il conduttore di alimentazione 40? Il secondo teliminale 10 della bobina ? collegato al polo del commutatore unipolare a due vie Si i cui contatti sono collegati al conduttore di alimentazione positivo (30) e negativo (40), rispettivamente?

Verr? ora descritto il principio di funzionai mento del circuito rappresentato nella figura 1? Si assuma che la bobina del motore passo a passo pre? _ senti una resistenza interna di 30 ohm ed una induttanza di 40 millihenry?inoltre, si assuma che il valore della corrente di mantenimento della particolare applicazione del motore presenti un basso valore pari, ad esempio, a circa 20 miniampere e che in corrispondenza dell'inizio del ciclo, il terminale 10 risulti collegato alla massa circuitale (40) e che il condensatore C1 risulti scarico? In corrispon?

c, GRECn.r

denza dell'istante t (figura 5), il commutatore S1 collega il terminale 10 alla tensione di alimentazione di 20 volt? Poich? il condensatore C1 presenta un elevato valore capacitivo, lo stesso si comporta, essenzialmente, come un corto circuito verso massa, rispetto alla tensione di ingresso con funzione a gradino attraverso la connessione serie della bobina e del condensatore? La velocit? iniziale di incremento della corrente di/dt viene governata dall'induttanza L della bobina e la stessa ? data, approssimativamente, da di/dt V/L? La corrente massima possibile si approssima a V/R , in cui V rappresenta la tensione applicata, mentre Rc costituisce la resistenza della bobina? Appena dop? il raggiungimento del valore di picco, la corrente della bobina inizia a diminuire con una costante di tempo T ? Rc C1 man _.mano che il condensatore C1 si carica verso il potenziale VR2/(R2 Rc) costituente il potenziale di equilibrio in corrispondenza del terminale 20, stabilito dal divisore resistivo formato da Rc e R2 ai capi della sorgente che fornisce la tensione di V volt? Deve essere rilevato che il resistere R1 viene ignorato nella determinazione del potenziale di e? guilibrio poich? lo stesso risulta molto maggiore di Rc? Dopo il raggiungimento del potenziale di e

- 1U Ing. C GREGGRJ

quilibrio in corrispondenza del terminale 20, la corrente circolante attraverso la bobina viene determinata sostanzialmente dal resistore R2# Questo valore della corrente rappresenta la corrente di mantenimento, mentre il resistore R2 viene selezionato in modo tale da garantire l'ottenimento di m a corrente, negli avvolgimenti statorici, di valore sufficiente a mantenere il rotore fisso nella particolare applicazione? Nel circuito illustrato, la corrente di mantenimento ? pari, approssimativamente, a 18 milliampere.

Dall'analisi della figura 5 pu? essere rilevato che poich? la potenza risulta proporzionale alla corrente e poich? la corrente di picco viene convogliata per m a porzione proporzionatamente breve di m ciclo di comando a passi successivi, il circuito dissiper? una potenza media,per passo di valore,relati- . vamente piccolo, vale a dire dissiper? m a potenza pari a 20V x 18mA, ossia pari a 360 millivatt, nei confronti di m a potenza di circa 13 watt associata alla corrente continua di picco?

Per il passo negativo, il commutatore S1 collega il terminale 10 alla massa circuitale,mentre il che

condensatore Cl/? stato caricato sostanzialmente al potenziale V che si rende disponibile sul conduttore

DFHU1U Dnu.LM ,

Ing.C GREGGIO

positivo opera, inizialmente, come una batteria in grado di alimentare una corrente, in senso opposto, attraverso la bobina? L<f>impulso iniziale di corrente, di polarit? negativa, raggiunge una ampiezza approssimativamente uguale a quella dellimpulso positivo precedentemente descritto, mentre, successivamente, questo impulso decade con una costante di tempo

X ?= Rc C1 finch? il potenziale ai capi del condensatore raggiunge il valore di equilibrio dato da VR^ (Rl Rc)? In corrispondenza di questo potenziale, la corrente di mantenimento viene mantenuta, nella bobina, attraverso il resistore R1, ad un valore pari, approssimativamente, a 18 miniampere nel circuito illustrato. Dall*ansaisi precedentemente riportata e dalla forma d*onda indicata nella figura 5, pu? essere rilevato che il circuito ? in grado di fomi-? re un pilotaggio in corrente, bipolare e sostanzialmente simmetrico per la bobina statorica.

Nel modo operativo corrispondente ad una coppia di valore elevato, vale a dire ad un elevato ritmo di ripetizione dei passi, viene richiesta una col<o>-rente di mantenimento di valore significativamente maggiore di quella associata ad un modo corrispondente ad un basso ritmo di ripetizione dei passi e, pertanto, l'inerzia dell'elemento comandato non deve

12 - OFFI CI O BREVETTI

<,?>9? c GREGORJ ruotare i poli rotorici di fronte alle bobine statoriche con spostamento in uno stato in cui la posizione retorica non risulti esattamente controllata dagli impulsi di comando per il movimento passo a passo? L'elevata corrente di mantenimento viene ottenuta progettando il circuito in modo tale che la corrente possa venire pilotata da tensioni in eccesso,mentre la corrente della bobina deve ancora crescere al termine del periodo corrispondente al passo? Malgrado il fatto che la corrente circolante nella bobina non ha raggiunto il proprio valore massimo al termine di un periodo di un passo, vale a dire l'ampiezza massima che pu? venire ottenuta nel modo corrispondente ad un basso ritmo di ripetizione dei passi, la stessa avr? conseguito un valore maggiore del valore della corrente raccomandato per il pilotaggio della bobina. L'effetto..della commutazione prima che la corrente raggiunga il proprio valore massimo, ? rappresentato dal fatto che, in effetti, la corrente di mantenimento risulta maggiore della corrente pilota, tendendo in tal modo a garantire un controllo pi? esatto della posizione del re tore? Tuttavia, deve essere ricordato che quando vengono adottate sovratensioni per produrre la corrente media richiesta di mantenimento, il funzionamento in corrispondenza di

J?9- r,

un elevato ritmo di ripetizione dei passi non pu? venire mantenuto per periodi di tempo significativi poich?, in questo caso, si verificherebbe un surriscaldamento del motore? La forma d'onda rappresentativa dell'andamento della corrente circolante nella bobina, in funzione del tempo, rappresentata nella figura 4, esemplifica questo modo di funzionamento? Deve essere rilevato che per situazioni per le quali il motore viene pilotato in eccesso, 1 parametri circuitali possono pure venire scelti in modo tale da condizionare il circuito della bobina al raggiungimento del proprio valore massimo della corrente durante un periodo del passo consentendo il mantenimento di un tempo sufficiente perch? possa verificarsi l'inizio del decadimento della corrente? Pu? essere tollerato un decadimento anche relativamente anq>io durante il periodo del passo ossia, ad esempio, -pu? essere adottato un valore pari, ad esenq>io, al

30? a condizione che la corrente "media" entro il periodo del passo, sia sufficiente a garantire il controllo del rotore, vale a dire la posizione del rotore o il sincronismo rotore-statore in corrispondenza del particolare ritmo di ripetizione dei passi? Deve essere rilevato che possono venire adottati ritmi di ripetizione compresi fra un ritmo elevato di

- 14 - U FFI CI O B RE VETTI

<,?>9? C GREG0RJ 300 passi al secondo ed un ritmo corrispondente ad un basso numero di passi al secondo quando la corrente media di mantenimento risulta insufficiente a controllare l'inerzia dell'elemento comandato?

La figura 2 rappresenta un diagramma schematico di un commutatore elettronico utilizzabile in sostituzione del commutatore S1 riportato nella figura 1? Il circuito schematizzato nella figura 2 ? costituito da un invertitore comprendente la connessione serie di transistori ad effetto di campo, di tipo complementare? Nel circuito, un transistore PI, di tipo ?, operante in regime di arricchimento, ? collegato fra il potenziale positivo ed un terminale di uscita 10' al quale risulta collegato il secondo terminale della bobina? Un transistore N1, di tipo n, o? perente nel modo ad arricchimento, ? collegato fra - <_>il potenziale relativamente negativo ed il terminale di uscita 10'? Gli elettrodi di controllo di entrambi i transistori P1 e N1 sono collegati al terminale di ingresso IN in corrispondenza del quelle vengono alimentati gli impulsi di controllo dei passi? Quando un potenziale di controllo, relativamente positivo, viene applicato al terminale di ingresso, il transistore NI passa allo stato di conduzione nel modo a sorgente comune, collegando il terminale 10* al ter

3 ? urriu i u H HfcVErri

Ing. C GREGORJ minale relativamente negativo attraverso un?impedenza scarico?sorgente di valore relativamente contenu-to? Alternativamente? quando un potenziale di controllo relativamente basso viene applicato al terminale di ingresso? il transistore PI conduce nel modo a sorgente comune? collegando il terminale 10* al potenziale relativamente positivo, attraverso un impedenza scarico-sorgente di valore relativamente basso? Quando gli impulsi di controllo di ingresso vetriano fra potenziali relativamente positivo e relativamente negativo? i due transistori condurranno alternativamente, mentre il transistore operante in regime di non conduzione, o di interdizione presenter?, nei confronti del terminale di uscita, un?impedenza di

5

valore elevato dell'ordine di 10 ohm o di valore superiore? Pertanto, il circuito schematizzato nella figura 2 operer? come un commutatore elettronico _ unipolare a due vie?

Il circuito schematizzato nella figura 3 rappresenta un commutatore elettronico sostituibile al commutatore SI? In conformit? a quanto rappresentato nella figura 3, un potenziale positivo applicato all'elettrodo di base del transistore Q1 condiziona alla conduzione il transistore Q1 considerato, con conseguente assorbimento di corrente dal terminale di

IV* - ? arieverri

'ng. C GREGORI uscita 10", attraverso il diodo D1? La corrente convogliata attraverso il diodo D1 svilupper? un potenziale ai capi dello stesso, tede potenziale venendo applicato fra gli elettrodi di base e di emettitore del transistore Q2 a conduttivit? di tipo npn, con conseguente polarizzazione inversa della giunzione base-emettitore del transistore Q2, mantenendo in tal modo lo stesso allo stato di non conduzione? Il potenzisiie di collettore del transistore Q2 viene mantenuto al potenziale positivo di alimentazione per mezzo di un resistore R4 il quale polarizza pure allo stato di non conduzione il transistore Q3 a conduttivit? di tipo pnp.

Un potenziale relativamente negativo applicato all'elettrodo di base del transistore Q1 consente di commutare lo stesso allo stato di non conduzione? Il _ potenziale di .collettore del transistore Q1 viene aumentato sino al raggiungimento del valore del potenziale di alimentazione, attraverso il resistore di collettore R3 collegato al terminale positivo di alimentazione? L'elevato potenziale presente sul collettore del transistore Q1 polarizza il transistore Q2 allo stato di conduzione, fornendo in tal modo una corrente di emettitore al terminale 10"? Quando il transistore Q2 risulta allo stato di conduzione,

/ <,?>9? U GREG?RJ

lo stesso assorbe la corrente di base dal transistore Q3 a conduttivit? di tipo pnp, polarizzando in tal modo allo stato di conduzione il transistore Q3, in un modo ad emettitore comune, collegando il terminale 10" al potenziale di alimentazione relativamente positivo, attraverso il circuito collettore-emettitore del transistore Q3? Pertanto, il circuito rappresentato nella figura 3 simula un commutatore unipolare a due vie controllato dagli impulsi di potenziale applicati all'elettrodo di base del transistore Q1? Z transistori scelti per l'impiego nei circuiti rappresentati nelle figure 2 e 3 possono venire scelti, in generale, rispetto alla dissipazione di potenza, con caratteristiche nominali corrispondenti ai requisiti di pilotaggio nel modo corrispondente ad un basso ritmo di ripetizione dei passi? Tipicamente, questi dispositivi possono venire pilotati in eccesso per brevi periodi di tempo, vale a dire per i brevi periodi di tempo durante i quali il circuito passa nel modo corrispondente ad un elevato ritmo di ripetizione dei passi, senza che si verifichino danni ai dispositivi? Poich? i requisiti di potenza nel modo corrispondente ad un basso ritmo di ripetizione dei passi risultano contenuti, il circuito pu? venire realizzato con l'impiego di elementi poco costosi?

RIVENDICAZIONI

1* Complesso circuitale per garantire un pilotaggio bipolare per un avvolgimento di un motore, detto avvolgimento presentando un primo terminale ed un secondo terminale, caratterizzato dea fatto che comprende:

un primo terminale di alimentazione (30) ed un secondo terminale di alimentazione (40) per applicar-? re potenziali di alimentazione relativamente positivi e relativamente negativi, rispettivamente;

mezzi di commutazione (si) per accoppiare alternativamente detto primo terminale (io) dell'avvolgimento a detti primo e secondo terminali di alimentazione;

un primo mezzo ad impedenza, in corrente continua (Ri) ed un secondo mezzo ad impedenza, in corrente continua (R2) rispettivamente collegati fra il ? - UFFI C I O B H EVfcl 1 I

Ing. C GREGOIU primo terminale di alimentazione ed il secondo terminale di alimentazione ed il secondo terminale (20) dell'avvolgimento; e

un condensatore (CI) collegato fra il secondo terminale dell'avvolgimento ed un punto a potenziale fisso?

2* Complesso circuitale secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di commutazione sono costituiti da un commutatore unipolare a due vie presentante il proprio polo collegato al primo terminale dell'avvolgimento e presentano il primo contatto ed il secondo contatto rispettivamente collegati a detto primo terminale di alimentazione ed a detto secondo terminale di alimentazione?

3? Complesso circuitale secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto-Commutatore unipolare a due vie viene realizzato con l'impiego di un circuito includente un primo transistore ed un secondo transistore i quali presentano i rispettivi percorsi principali di conduzione rispettivamente accoppiati fra il primo terminale ed il secondo terminale di alimentazione ed il primo terminale dell'avvolgimento e dal fatto che risultano condizionati in modo tale da condurre alternati?

Claims

vamente.

4* Complesso circuitale secondo la rivendicazione 1, 2 o 3, caratterizzato dal fatto che detti primi e secondi mezzi ad impedenza, in corrente continua sono rappresentati da un primo resistore e da un secondo resistore?

Milano, *<' >4

DFFIC BREVETTI REGORJ

-S> e ART.

? a d pt ,3 & ?/?<,:?<? >