DE3132304A1

DE3132304A1 - "verfahren zum verringern des energieverbrauchs des schrittschaltmotors in einem elektronischen uhrwerk und elektronisches uhrwerk, bei dem das verfahren angewandt wird"

Info

Publication number: DE3132304A1
Application number: DE19813132304
Authority: DE
Inventors: Yves 2540 Granges Guerin; Fridolin 2000 Neuchatel Wiget
Original assignee: ETA Manufacture Horlogere Suisse SA; Ebauchesfabrik ETA AG
Current assignee: ETA Manufacture Horlogere Suisse SA; Ebauchesfabrik ETA AG
Priority date: 1980-08-25
Filing date: 1981-08-17
Publication date: 1982-05-27
Also published as: US4430007A; GB2082806B; CH640999GA3; GB2082806A; FR2489055A1; FR2489055B1; JPH0371672B2; JPS57172279A; DE3132304C2; CH640999B

Description

"Verfahren zum Verringern des Energieverbrauchs des Schrittschaltmotors in einem elektronischen Uhrwerk und elektronisches Uhrwerk, bei dem das Verfahren angewandt wird"

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verringern des Energieverbrauchs des Schrittschaltmotors in einem elektronischen Uhrwerk. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein elektronisches Uhrwerk, bei dem das Verfahren anwendbar ist.

In einem elektronischen Uhrwerk mit einem Schrittschaltmotor zum Antrieb der Anzeigeorgane wird der größte Teil der Energie, die von einer elektrischen Speisequelle, im allgemeinen einer Batterie, geliefert wird, von dem Motor verbraucht. Es ist demgemäß wichtig, so weit als irgend möglich, den Verbrauch dieses Motors zu verringern, um die Lebensdauer der Batterie zu erhöhen oder, um bei vorgegebener Lebensdauer _t das Volumen der Batterie verkleinern zu können.

Bei der Mehrzahl der gegenwärtig gebauten Uhrwerke empfängt der Motor über einen Erregerkreis Antriebsimpulse eines Impulsformerschaltkreises, der mit Tieffrequenzsignalen von einem Frequenzteilerschaltkreis gespeist wird, welcher einem Oszillator zugeordnet ist, der seinerseits die Zeitbasis darstellt. Die !Dauer dieser Impulse ist festgelegt und gewählt, um eine sichere Funktion des Motors zu gewährleisten, selbst unter den ungünstigsten Bedingungen, niedrige Batteriespannung, Antrieb

_ jg _
C

des Kalendermechanismus, Stösse, usw. Der Motor wird demgemäß während des überwiegenden BetriebsZeitraums übergespeist.

Man kann den Energieverbrauch des Motors deutlich verringern, indem man die Energie der Antriebsiinpulse an seine augenblickliche Belastung und an die Speisespannung anpaßt.

Eine bekannte Lösung besteht darin, einen Impulsformerkreis vorzusehen, welcher in der lage ist, Impulse unterschiedlicher Dauer zu erzeugen sowie eine Einrichtung vorzusehen, die die Drehung oder das Fehlen der Drehung des Motors erfaßt. Die Dauer der dem Motor zugeführten Antriebsimpulse wird progressiv verringert, bis ein nicht ausgeführter Schritt festgestellt wird. Ein Aufholimpuls wird dann zum Motor übertragen, und die Energie der normalen Antriebsimpulse wird festgelegt auf einen höheren Wert. Dieser Wert wird nun während einer bestimmten Zeitdauer aufrechterhalten. Wenn der Motor während dieser Periode normal umgelaufen ist, wird erneut die Dauer der Impulse verringert. Eine solche Lösung erlaubt nicht, eine dauernde und schnelle Anpassung der Antriebsimpulse an die Belastung des Motors. Darüberhinaus ist die Anpassung langsam, und die Zufuhr von Aufholimpulsen im Falle fehlender Drehung bewirkt, daß der Energieverbrauch höher ist als erforderlich.

Bekannt sind ferner Steuerschaltkreise für Schrittschaltmotoren mit Einrichtungen zum Erfassen der Drehung des Rotors während des Anlegens der Antriebsimpulse und zum Unterbrechen dieser Impulse, sobald der Rotor seinen Schritt ausgeführt hat oder mehr oder weniger um einen Teilbetrag sich gedreht hat oder eine Geschwindigkeit erreicht hat, die hinreicht, um den Schritt zu durchlaufen.

Beispielsweise wird in der US-PS 3,500,103 die Drehung des beweglichen Organs des Motors mittels der Spannung erfaßt, die in einer Detektorspule injiziert wird, und man unterbricht den Antriebsimpuls, sobald das bewegliche Organ entweder eine bestimmte Position oder eine bestürmte Geschwindigkeit erreicht hat. Um jedoch seinen Schritt vollständig zu durchlaufen, muß der Rotor am Ende des Antriebsimpulses sich in einer bestimmten Stellung befinden und eine bestimmte Geschwindigkeit erreicht haben. Es gibt demgemäß für die Unterbrechung des Antriebsim-

pulses Bedingungen bezüglich Position, Geschwindigkeit und Motormoment. Wenn nur eine einzige der Bedingungen berücksichtigt wird, wird der Funktionsbereich des Motors beschränkt oder, umgekehrt, wenn die berücksichtigte Bedingung nicht notwendig ist, ist dies nachteilig für den Verbrauch im Regelungssystem. Die in dieser Druckschrift vorgeschlagenen Lösungen erlauben demgemäß nicht, die Antriebsimpulsdauer in Abhängigkeit von der Belastung und von der Speisespannung des Motors zu optimieren.

Die Lösungen, welche in der US-PS 3,855,781 vorgeschlagen werden, wonach die Position des Rotors erfaßt wird durch Messung der induzierten Spannung in einer Hilfswicklung oder eine Spannung erfaßt wird, erzeugt durch die Deformation eines piezoelektrischen Elementes beim Übergang von Zähnen eines Rades des Räderwerks, das von dem Motor angetrieben wird, weisen die gleichen Nachteile auf.

Die FR-PS 2,200,675 schlägt vor, die Veränderung des Stromes in der Steuerspule des Motors zu erfassen und den Antriebsimpuls zu unterbrechen, sobald dieser Strom durch ein Minimum geht, entsprechend einem Maximum der induzierten Spannung. Beschränkungen für diese Erfassung werden jedoch durch die Form des Stromes bedingt, die abhängt von der Zeitkonstante der Schaltung, der Gegen-EMK, die induziert wird, sowie von der Belastung des Motors. In bestimmten Fällen kann das Stromminimum verschwinden, was die Regelanordnung unwirksam macht. Diese Nachteile konmen zu jenen hinzu, die bereits für die anderen Lösungen erwähnt wurden.

Schließlich beschreibt die US-PS 4,114,364 eine Regelschaltung für die Antriebsimpulsdauer entsprechend der Motorbelastung, wobei die Schaltung Mittel umfaßt zum Erfassen des Stromes in der Steuerspule sowie Mittel zum Unterbrechen des Impulses, sobald dieser Strom einen Wert erreicht gleich dem Verhältnis zwischen der Speisespannung der Spule und ihrem Gleichstromwiderstand, d.h. sobald der Rotor seinen Schritt beendet hat. Es wird auch die Möglichkeit vorgesehen, den Impuls zu unterbrechen, bevor der Strom diesen Wert erreicht hat. Auch hier wird nur eine Bedingung bezüglich der Position für die Regelung ausgewertet,

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, mit dem der Energieverbrauch des Schrittschaltmotors in einem elektronischen Uhrwerk verringert werden kann, indem automatisch die Dauer der Antriebsspannungsimpulse, welche dem Motor zugeführt werden, an seine

Belastung und an seine Speisespannung angepaßt werden und die Nachteile der insoweit diskutierten, bekannten Lösungen vermieden sind.

Die erfindungsgemäße Lösung ergibt sich aus dem Patentanspruch 1. Sie besteht darin, daß bei jedem Impuls der Antriebsspannung, angelegt an die Steuerspule des Motors, die Veränderung des magnetischen Induktionsflusses im Stator gemessen wird und der Antriebsspannungsimpuls unterbrochen wird, sobald diese Flußänderung einen vorgegebenen Wert erreicht.

Dieser vorgegebene Wert wird gewählt zwischen einem Minimalwert der Flußänderung, erforderlich zum Drehen des Rotors, und einem Maximalwert, der erreicht wird, sobald der Rotor seineff^urchlaufen hat derart, daß man einen optimalen Kompromiß erhält zwischen dem Antriebsmoment, das von dem Motor geliefert werden kann und seinem verbrauch.

Die Erfindung bezieht sich auch auf ein elektronisches Uhrwerk, bei dem das Verfahren zum Einsatz kommt. Dieses Uhrwerk, das einen Oszillator zum Erzeugen eines Standardfrequenzsignals, einen Frequenzteiler, angekoppelt an den Oszillator zum Erzeugen eines Zeitsignals dieser Frequenz, einen Schrittschaltmotor mit mindestens einer Steuerspule, einem Stator und einem Rotor sowie einen Speisekreis aufweist, der ansprechend ausgebildet ist auf das Zeitsignal zum periodischen Anlegen von Antriebsspannungsimpulsen an die Steuerspule und Steuereinrichtungen zum Steuern des Speisekreises derart, daß automatisch eine Anpassung der Antriebsspannungsimpulsbreite an die Belastung und an die Speisespannung des Motors erfolgt ist gekennzeichnet dadurch, daß die Steuereinrichtungen eine Einrichtung zum Messen, bei jedem Antriebsspannungsimpuls, der Änderung des magnetischen Induktionsflusses in dem Stator umfaßt und zum Erzeugen eines Meßsignals, das repräsentativ ist für die Größe dieser Flußänderung sowie Mittel, an die das Meßsignal· angelegt wird zum Erzeugen eines Unterbrechersignais an die Speiseschaltung für den Antriebsspannungsimpuls, sobald die Veränderung des Flusses einen vorgegebenen Wert erreicht oder übersteigt.

Im einzelnen wird der Gegenstand der Erfindung nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert, welche Ausführungsbeispiele darstellen.

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Fig. 1 ist eine schematische Schnittdarstellung eines Schrittschaltmotors/ wie er häufig in elektronischen Uhrwerken eingesetzt wird.

Fig. 2a, 2b, 2c sind Kurven, die über der Zeit den Strom in der Motorsteuerspule bzw. die Differenz zwischen der Spannung an den Klemmen der Steuerspule und dem Produkt aus Gleichstromwiderstand der Spule und dem sie durchfließenden Strom wiedergibt, bzw. die Veränderung des magnetischen Induktionsflusses in dem Stator.

Fig. 3 ist ein Diagramm zur Darstellung der Veränderung des Minimalflusses, der erforderlich ist für den Antrieb des Rotors sowie zur Darstellung der Veränderung des Maximalflusses, die erreicht wird, sobald der Rotor das erste Mal seine Gleichgewichtsposition durchläuft in Abhängigkeit von der angelegten Spannung an der Steuerspule eines Motors, wie er in Fig. 1 dargestellt ist.

Fig. 4 ist das Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform dos elektronischen Schaltkreises für ein Uhrwerk gemäß der Erfindung.

Fig. 5 ist ein Diagramm zur Darstellung der Signale, die an verschiedenen Punkten der Schaltung gemäß Fig. 4 erscheinen und

Fig. 6 ist das Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform des elektronischen Schaltkreises für ein Uhrwerk gemäß der Erfindung.

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Fig. 1 zeigt schematisch einen Schrittschaltmotor, wie er häufig in elektronischen Uhrwerken verwendet wird. Es handelt sich um einen Motor mit zwei stabilen Positionen, welcher bipolare Antiebsimpulse benötigt.

Der Motor umfaßt einen Stator 1, bestehend aus zwei Polstücken 2,3, welche durch ein Joch 4 hoher magnetischer Permeabilität verbunden sind, um das die Steuerspule 5 gewickelt ist. Ferner umfaßt der Motor einen Rotor 6, gebildet von einem Permanentmagneten.

Der Rotor 6 läuft immer in gleicher Richtung um Winkel von 180° um, jedes Mal dann, wenn ein Antriebsspannungsimpuls an die Klemmen a. und b der Spule 5 angelegt wird. Die Impulse, welche der Motor periodisch empfängt, sind von alternierender Polarität.

Fig. 2a zeigt die Veränderung des Stromes i in der Steuerspule 5 in Abhängigkeit von der Zeit, sobald ein Antriebsimpuls an den Motor angelegt wird. Sobald der Rotor 6 dreht, wird in der Spule 5 eine Gegen-EMK induziert. Aus diesem Grunde wird der Strom i, der zunächst ansteigt, nach einem bestimmten Zeitablauf abfallen, um danach wieder anzusteigen. Sobald der Rotor 6 das erste Mal durch eine stabile Gleichgewichtsposition geht, um 180° gegenüber jener versetzt, die er im Augenblick des Anlegens des Antriebsimpulses eingenommen hatte, ist der Strom gleich i_Q =V/Rj worin V die Speisespannung ist und R der Gleichstromwiderstand der Spule. Nachdem der Strom diesen Wert i„ erreicht hat, pendelt der Strom um diesen Wert, bis der Rotor sich in der Ruheposition stabilisiert hat.

Die entsprechende Veränderung der Größe V-Ri, d.h. mit entsprechendem Vorzeichen die induzierte Spannung in der Steuerspule ist in Fig. 2b dargestellt.

Fig. 2£ zeigt den Verlauf, in Abhängigkeit von der Zeit, des Produktes aus der Veränderung des magnetischen Induktionsflusses Δ Φ in dem Joch der Steuerspule, und der Anzahl N der Wicklungen dieser Spule. Der Wert dieser Größe, die einen Augenblick t aufweist ist gleich

ΝΔ$ = f^ (V- Ri) dt = -J^ e dt

und steigt progressiv an und geht durch ein erstes Maximum NΑφ , so-

max'

bald der Strom i den Wert i_Q erreicht.

Damit der Schrittschaltmotor richtig arbeitet, ist Voraussetzung,

daß die Veränderung des Flusses einen bestimmten Wert Δ$ . erreicht, ³ mun

der abhängt von der Belastung des Motors, jedoch auch, wie Fig. 3 zeigt, in sehr geringem Maße von der Speisespannung.

Man kann demgemäß die Dauer des Antriebsimpulses automatisch an die Motorbelastung und an seine Speisespannung anpassen, indem man die Veränderung des Flusses in dem Joch der Spule mißt, ausgehend von dem Zeitpunkt, wo der Antriebsimpuls angelegt wird und durch Unterbrechen dieses Impulses, sobald diese Veränderung des Flusses einen vorgegebenen Wert erreicht.

Der vorgegebene Wert wird gewählt zwischen den Werten Δ φ ■ undA$ derart, daß man einen optimalen Kompromiß erhält zwischen dem verwertbaren Antriebsmoment, das von dem Motor für den Antrieb der Anzeigeorgane geliefert werden kann und seinem Verbrauch und um eine sichere Funktion des Motors innerhalb eines weiten Speisespannungsbereichs sicher zu stellen.

Dieser vorgegebene Wert kann beispielsweise gewählt werden zwischen etwa 75° des Wertes Δφ entsprechend Speisespannungen in der Größenordnung von 1,5 oder 2 V.

Die Bestimmung des Wertes der Induktionsflußveränderung kann dadurch erfolgen, daß man die in der Steuerspule selbst oder in einer Erfassungsspule, die auf dem Motor vorgesehen wird, induzierte Spannung integriert. Eine Lösung zum Bestimmen der Induktionsflußveränderung, ausgehend von der induzierten Spannung in der Steuerspule besteht darin, daß man den Strom in der Spule während des Anlegens des Antriebsimpulses erfaßt und die Differenz V-Ri integriert.

. Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform des elektronischen Schaltkreises eines Uhrwerks gemäß der Erfindung, wobei man den Wert der Induktionsflußveränderung mißt, indem man den Strom i in der Steuerspule 5 erfaßt und das Integral der Differenz V-Ri berechnet.

--. ■■"- ■; 313230A —β*-

Ein Oszillator 11 liefert ein Standardfreqaenzsignal, beispielsweise etwa 32 kHz, an einen Frequenzteilerkreis 12, bestehend aus einer Serie von kaskadegeschalteten Flip-Flops, die an den Ausgang ein Signal mit einer Frequenz von T Hz liefern. Dieses Niederfrequenzsignal wird zu einem ersten Eingang 13,. eines Steuerimpulsgeneratorkreises 13 übertragen. Dieser Schaltkreis 13 ist so ausgebildet, daß er an seinen Ausgängen 13~ und 13_ Impulse erzeugt, deren Beginn und Ende festgelegt sind durch das von Frequenzteilerkreis kommende Signal bzw. durch das Auftreten, an seinem zweiten Eingang 13-, eines Signals, das von einem Steuerkreis 20 herrührt. Der Schaltkreis 13, der nicht im einzelnen erläutert wird, kann einen Pulsformerkreis umfassen, der Steuerimpulse hinreichender Dauer von beispielsweise 7, 8 Millisekunden erzeugt, um die Funktion des Motors unter den ungünstigsten Betriebsbedingungen sicher zu stellen. Er kann ferner einen, beispielsweise aus Flip-Flops und NICHT-üND-Gattern bestehenden Kreis umfassen, zum Unterbrechen dieser Impulse, sobald ein Signal vom Steuerkreis 20 anliegt.

Der Steuerkreis, der im einzelnen nachfolgend erläutert wird, berechnet das Integral der Differenz V-Ri und liefert an seinen Ausgang ein Unterbrechersignal für den Steuerimpuls des Motors, sobald der Wert des Integrals einen vorgegebenen Wert erreicht.

Die an den Ausgängen 13.., und 13^ des Kreises 13 erscheinenden Signale, die jeweils eine Periode von 2 Sekunden aufweisen und die um eine Sekunde zueinander phasenverschoben sind, werden an den Steuerkreis 14 angelegt, der mit dem Pulsgeneratorkreis 13 den Motorspeisekreis bildet. Dieser Steuerkreis 14 besteht in herkömmlicher Weise aus zwei Invertern 15, 16, deren Eingänge mit den Ausgängen 13_ und 13., des Pulsgeneratorkreises 13 verbunden sind und deren Ausgänge an die Klertnen a. und b der Steuerspule 5 des Motors angeschlossen sind.

Die Sources der MOS-Transistoren mit P-Kanal 15.. und 16., verbunden mit der positiven Kleimie der Gleichspannungsversorgungsquelle (nicht dargestellt) mit der das Uhrwerk bestückt ist, liegen auf Potential +V, während diejenigen der N-Kanal MOS-Transistoren 15₉ und 16₀, angeschlossen an die negative Klemme dieser Quelle, auf Potential 0 liegen.

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Solange kein Steuerimpuls an den Ausgängen 13„ und 13_ erscheint, die demgemäß auf Logikpegel 0 liegen, sind die Transistoren 1S₁ und 16. leitend, während die Transistoren 15„ und 16₂ gesperrt sind und die Spule 5 praktisch kurzgeschlossen ist. Sobald ein Signal am Ausgang 13₂ erscheint, sperrt der Transistor 15.., während der Transistor 15„ leitend wird; ein Strom i fließt demgemäß in die Steuerspule 5 und der Motor beginnt zu drehen. Wenn der Ausgang 13„ wieder auf 0 gelangt, beim Erscheinen eines Unterbrechungssignals für den Antriebsimpuls am Eingang 13. des Kreises 13, sperrt der Transistor 15₂,der Transistor 1S₁ wird wieder leitend und der Antriebsimpuls wird unterbrochen. Das gleiche spielt sich ab für die Transistoren 16- und 16₂, gesteuert von dem Signal am Ausgang 13.,, mit einem Strom entgegengesetzter Richtung in der Spule 5.

Der Schaltkreis 20 umfaßt einen Rechnerkreis 30, dessen einer Eingang 13.. über einen elektronischen Umschalter 21, gesteuert vom Signal, das am Ausgang 13₃ des Impulsgeneratorkreises 13 erscheint, entweder mit dem Ausgang des Inverters 16 verbunden wird, sobald die Transistoren 1S₁ und 16₂ leitend sind oder mit demjenigen des Inverters 15, sobald die Transistoren 16. und 15₂ leitend werden. Dieser ölschalter 21 könnte natürlich von dem Signal gesteuert werden, das am Ausgang 13₂ erscheint anstelle des am Ausgang 1 L· erscheinenden. Ein anderer Eingang 30-, des Kreises 30 ist mit der positiven Klemme der Versorgungsspannungsquelle verbunden.

Dieser Rechnerkreis 30, der im einzelnen nachfolgend erläutert wird, berechnet den Wert des Integrals der Differenz V-Ri und liefert an den Ausgang 30_ eine Spannung, die für diesen Wert repräsentativ ist. Der Steuerkreis 20 umfaßt ferner einen Schaltkreis 50 zum Erzeugen einer Bezugsspannung entsprechend dem vorgegebenen Wert der Induktionsflußveränderung, für den der Äntriebsspannungsimpuls unterbrochen werden muß. Dieser Schaltkreis 50 kann beispielsweise einen Spannungsteiler umfassen, der zwischen die Klemmen der Speisespannungsquelle gelegt ist oder eine Zehnerdiode. Die Ausgänge des Rechnerkreises 30 und des Schaltkreises sind jeweils verbunden mit den invertierenden bzw. den nichtinvertierenden Eingängen eines Komparatorkreises 60. Sobald die Ausgangsspannung des

Rechnerkreises 30 den Wert der Bezugsspannung erreicht oder übersteigt, ändert sich der Logikpegel· am Ausgang des Komparatorkreises 60. Dieses Signal, übertragen zum Eingang 13. des Kreises 13, steuert die Unterbrechung des Antriebsspannungsiitpulses, der an der Motorspule 5 anliegt.

Der Rechnerkreis 30 umfaßt einen Integrierkreis 31, welcher einen Operationsverstärker 32 aufweist, dessen invertierender Eingang an Masse liegt, d.h. an der negativen Klemme der Versorgungsspannungsquelle sowie eine Kapazität 33, die zwischen den invertierenden Eingang und den Ausgang des Operationsverstärkers geiegt ist, weicher Ausgang gl·eichzeitig den Ausgang 30 des Rechnerkreises bildet. Ein elektronischer Unterbrecher 34, parallel zur Kapazität 33, ermöglicht die Entladung der letzteren, wenn der Umschalter geschlossen wird.

Der Rechnerkreis umfaßt darüberhinaus zwei Kapazitäten 35 und 36 sowie drei elektronische Umschalter 37, 38 und 39. Diese Umschalter, die in der Zeichnung symbolisch dargesteUt sind, werden von MOS-Transistoren gebildet. Der Kommutator 37 erlaubt das Anschalten der Kapazität 35, die im übrigen an Masse liegt, entweder an den Eingang 30.. des Rechnerkreises oder an den Eingang des Integratorkreises 31, während die Umschalter 38 und 39 es ermöglichen, die KapazMt 36 entweder zwischen Masse und den Eingang des Integratorkreises zu legen oder zwischen den Eingang 3O₂ des Reichnerkreises und Masse.

Ein Schaltkreis 40 ist einerseits mit einer Anzapfung des Frequenzteilerkreises 12 verbunden,zum Abnehmen eines Signals hoher Frequenz, beispielsweise 16 kHz und andererseits mit dem Impulsgeneratorkreis 13, beispielsweise dessen Ausgängen 13₂ und 13.,, wie dies in der Zeichnung dargestellt ist. Der Schaltkreis 40 kombiniert die an seinen Eingängen 4O₁, 40p und 40., anliegenden Signale, um einerseits an seinen Ausgang 40. ein Befehlssignal für den Unterbrecher 34 zu übertragen, derart, daß dieser Unterbrecher während der Dauer eines Antriebsimpulses geöffnet bleibt und während des Restes der Zeit geschlossen wird und andererseits, um gleichzeitig zu den drei Umschaltern 37, 38, 39,die an seinen Ausgang 4O₁- angeschlossen sind, das periodische Signal hoher Fre-

quenz zu übertragen, das der Schaltkreis 40 vom Teilerkreis 12 empfängt, zwischen dem Zeitpunkt, wo ein Antriebsinpuls am Motor anJfegt und jenem Zeitpunkt, zu dem dieser Impuls abgebrochen wird. Dieser Schaltkreis 40 kann beispielsweise von einem ODER-Gatter gebildet sein, dessen Eingänge und dessen Ausgang die Eingänge 4O₂/ 4O₃, bzw. Ausgang 40. bilden sowie einem UND-Gatter, dessen Eingang mit dem Ausgang des ODER-Gatters verbunden ist und dessen anderer Eingang mit dem Frequenzteilerkreis verbunden ist, während der Ausgang dieses UND-Gatters den Ausgang 4O₅ des Schaltkreises darstellt. Der Unterbrecher 34 bleibt während der Zeit geschlossen, während welcher kein Antriebsimpuls an der Motorspule 5 anliegt und es wäre daher möglich, dauernd die Unterbrecher 37, 38, 39 zu betätigen, indem man an sie direkt das Hochfrequenzsignal anlegt. Eine solche Lösung würde jedoch den Energieverbrauch der Schaltung vergrößern. Für die Erläuterung der Funktion des Rechnerkreises 30, die nachfolgend wiedergegeben wird, soll auf das Diagranin gemäß Fig. 5 Bezug genommen werden, in dem die folgenden Größen dargestellt sind:

- A : Der an der Motorspule anliegende Antriebsimpuls;

- B : Die Sättigungsspannung des leitenden Transistors 15-

bzw. 16„, je nach der Polarität des Antriebsimpulses;

- C : Das periodische Signal hoher Frequenz zum Steuern der

Unterbrecher 37, 38, 39;

- D : Die Spannung an den Klemmen der Kapazität 35;

- E : Die Spannung an den Klemmen der Kapazität 36 und

- F : Die Spannung am Ausgang des Integrierkreises 31.

Aus Gründen der Deutlichkeit wurde in dem Diagramm die Periode des Steuersignals für die Unterbrecher erheblich übertrieben.

Sobald an der Motorspule 5 ein Antriebsimpuls angelegt wird, gelangt die Sättigungsspannung des leitenden Transistors 15„ oder 16- an den Eingang 30- des Rechnerkreises 30 über den Umschalter 21. Diese Spannung ist in jedem Zeitpunkt proportional dem Strom i in der Spule.

Von dem Zeitpunkt an, wo der Antriebsimpuls an die Spule angelegt wird, erscheint das Signal hoher Frequenz an dem Ausgang 40,- des Schaltkreises 40 und betätigt gleichzeitig die Umschalter 37, 38, 39. Solange

AC

diese Umschalter die in ausgezogenen Linien in der Zeichnung dargestellten Positionen einnehmen, lädt sich die Kapazität 35 auf die Eingangsspannung des Rechnerkreises auf, während die Kapazität 36, die. sich während der vorangehenden Halbperiode des Hochfrequehzsignals, während der die Umschalter die gestrichelt angedeuteten Stellungen eingenommen hatten, auf die Speisespannung V aufgeladen hatte, sich nun entlädt unter Inversion des Vorzeichens der Ladung in die Kapazität 33. Sobald die Umschalter in die gestrichelt angedeutete Position umschalten, entlädt sich die Kapazität 35 in die Kapazität 33, während die Kapazität 36 sich erneut mit der Spannung V auflädt.

Die Ladung, die während des j-ten Zyklus des Hochfrequenzsteuersignals von der Kapazität 35 akkumuliert worden ist, ist gegeben durch

Q₁. ₌ C₁Ki.

worin C₁ den Wert der Kapazität 35 bezeichnet, K die Proportionalitätskonstante zwischen der Sättigungsspannung des einen oder anderen Transistors 15~ bzw. 16„ und dem Strom, der ihn durchfließt, während i den Wert des Stromes in der Spule angibt in dem Augenblick dieses j-ten Zyklus. Die von der Kapazität 36 mit dem Wert C-akkumulierte Ladung bleibt

Q₂ = C₂V

Am Ende von N Zyklen wird die von der Kapazität 33 mit dem Wert C,

akkumulierte Ladung

Q₃ = ^£ C₂ V- C₁Ki. . Die Spannung am Ausgang des Integrierkreises 31 ist demgemäß

£ ₁₁

S j=1 C₃ C₃

Da man für das Steuersignal der Umschalter 37, 38, 39 mit Bedacht eine sehr hohe Frequenz wählt (16 kHz), kann man die Kapazitäten C₁, C~ und C, derart bemessen, daß die Spannung.V„ praktisch gleich dem Integral der Differenz V-Ri wird.

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Die Schaltung gemäß Fig. 4 ist ohne weiteres in MOS-Technologie integrierbar. Auf demselben Chip werden die Verhältnisse der Grossen der Kapazitäten definiert durch die Verhältnisse ihrer Oberflächen, welche ihrerseits ohne weiteres konstruierbar sind.

Darüberhinaus sind auf ein-und-demselben Chip die Widerstandskennwerte der MOS-Transistoren sehr nahe beieinander. Der Proportionalitätsfaktor K ist demgemäß praktisch derselbe für die Transistoren T5₂ und 16₂.

Die Fig. 6 zeigt eine zweite Ausführungsform, die für den elektronischen Schaltkreis des Uhrwerks gemäß der Erfindung möglich ist, wobei die. Messung der Indüktionsflußveränderung dadurch erfolgt, daß die in einer Detektorspule induzierte Spannung erfaßt wird.

Das Joch 4 (Fig. 1) trägt demgemäß zusätzlich zur Antriebsspule 5 eine Hilfswicklung mit N Windungen, die in Fig. 1 nicht dargestellt ist und die als Meßspule dient.

Die Schaltung gemäß Fig. 6 umfaßt einen Oszillator 11, einen Frequenzteiler 12, einen Speisekreis 13, 14 für den Motor,identisch mit denen nach Fig. 4,und einen Steuerkreis 70.

Der Steuerkreis 70 umfaßt einen Meßschaltkreis mit der Meßspule 71 und einen Integrierkreis 72, über dessen Eingang die Spule 71 gelegt ist und der in üblicher Weise aus einem Operationsverstärker 73, einer Kapazität 74 parallel zu einem Unterbrecher 76 zwischen Ausgang und invertierendem Eingang des Verstärkers und einem Serienwiderstand 75 besteht. Der Unterbrecher 76 wird über ein ODER-Gatter 77 gesteuert von· den Signalen an den Ausgängen 13_? und 13., des Schaltkreises 13 derart, daß der Unterbrecher während des Anlegens der Antriebsimpulse an die Motorspule 5 offen ist und während der restlichen Zeit geschlossen. Die in die Meßspule 71 induzierte Spannung ist alternierend positiv und negativ entsprechend der Polarität der Antriebsimpulse,und deshalb werden hier für den Vergleich der Ausgangsspannung des Integrators A mit der Bezugsspannung V-™ zwei Komparatoren 78 und 79 vorgesehen. Der invertierende Eingang des Komparators 78 und der nicht invertierende Eingang des Komparators 79 sind mit dem Ausgang des Integrators 72 verbunden.

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Der nicht invertierende Eingang des Kanparators 78, verbunden mit einem ersten Ausgang eines Bezugsspannungsgenerators liegt auf einem positiven Potential +V₀₁^, während der invertierende Eingang

Kim;

des Kanparators 79, angeschlossen an einen zweiten Ausgang des Kreises 80, der beispielsweise Spannungsteiler enthält, auf einem Potential ~V_RFp liegt. Die Ausgänge der beiden Komparatoren sind mit den Eingängen eines UND-Gatters 81 verbunden, dessen Ausgang mit dem Eingang 13. des Steueriinpulsgeneratorkreises 13 verbunden ist.

Solange demgemäß die Ausgangsspannung des Integrators 72 hinsichtlich ihres Absolutwertes niedriger bleibt als die Bezugsspannung, liegt der Ausgang des UND-Gatters auf Logikpegel 1. Sobald diese Ausgangsspannung größer wird als +V „gp °d^er kleiner als -V™™» springt der Ausgang des UND-Gatters 81 auf Logikpegel 0, was zum Abbrechen des Antriel&npulses führt. Man könnte auch nur einen einzigen Komparator und einen einzigen Bezugsspannungsgenerator vorsehen, um nur eine positive Spannung zu liefern, indem man einen Gleichrichter vorsieht, der ein gleichgerichtetes Meßsignal erzeugt und der zwischen Spule 71 und Integrator 72 anzuordnen wäre.

Die Schaltung nach Fig. 6 weist bestimmte Vorteile gegenüber der Schaltung nach Fig. 4 auf; sie erlaubt es, von der !Regulierung der Größen der Verhältnisse zwischen den Kapazitäten C₁, C-, CL freizukommen, um den Widerstand der Antriebsspule zu simulieren; darüberhinaus ist die Funktion der Schaltung nach Fig. 6 praktisch unempfindlich gegenüber Temperaturänderungen, im Gegensatz zu dem vorher beschriebenen Schaltkreis, wo man den Strom in der Antriebsspule über die Sättigungsspannung eines Transistors zu erfassen versuchte. Dagegen fordert die Schaltung nach Fig. 6 das Vorsehen von Eingangsklemmen auf dem integrierten Schaltkreis, die mit der Meßspule 71 zu verbinden sind.

Die Erfindung ist natürlich nicht auf die dargestellten und beschriebenen Äusführungsbeispiele beschränkt. Zum Beispiel ist es möglich, den Bezugsspannungsgenerator und den oder die Kotiparatorkreise zu ersetzen durch Schwellenschaltungen, insbesondere durch MOS-Transistoren.

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Ferner wurde der Schrittschaltmotor mit zwei stabilen Positionen, der von bipolaren Impulsen betrieben wird, nur als Beispiel verwendet. Das Verfahren gemäß der Erfindung läßt sich natürlich auch bei anderen Typen von Motoren verwenden, mit denen ein elektronisches Uhrwerk ausgerüstet sein kann. Die Schaltkreise, die oben beschrie- . ben wurden, können ohne weiteres an den Typ des verwendeten Motors angepaßt werden. Wenn es sich beispielsweise um einen Motor handelt, der von Impulsen gleicher Polarität angesteuert wird, und der nur in einer einzigen Richtung umläuft, wird der Impulsgeneratorkreis 13 an einen einzigen Ausgang ein Signal der Frequenz 1 Hz liefern, das an die Steuerelektrode eines Transistors anzulegen wäre, der in Serie mit der Antriebsspule geschaltet ist zwischen die Klemmen der Versorgungsspannung. Man könnte auch den Strom in der Spule erfassen, indem man die Spannung zwischen Drain und Source dieses Transistors erfaßt oder an den Klemmen eines Widerstandes geringer Größe, relativ zu der der Spule 5 und in Serie geschaltet mit der Spule und dem Transistor. Diese Steuerimpulse könnten direkt an den Unterbrecher 34 angelegt werden, und der Schaltkreis 40 würde auf ein UND-Gatter beschränkt sein, dessen Eingänge an den Anzapfausgang des Frequenzteilers 12 und an den Ausgang des Kreises 13 gelegt wären. Der Bezugsspannungsgeneratorkreis 50 würde eine für den Motortyp brauchbare Spannung liefern müssen.

Hinsichtlich der Schaltung nach Fig. 6 wäre die Anpassung noch einfacher. Man würde den Schaltkreis 13 in gleicher Weise wie für die Fig. abwandeln und Entsprechendes gälte für den Steuerkreis 14, der dann nur noch einen Transistor in Serie mit der Antriebsspule 5 umfaßt. Hinsichtlich des Steuerkreises 70 wäre das Gatter 77 wegzulassen und die Befehlsimpulse des Kreises 13 wären direkt an den Unterbrecher 76 anzulegen. Es gibt dann nur noch einen einzigen Komparator, an dessen einem Eingang die Bezugsspannung läge, geliefert von dem Bezugsspannungserzeuger Ein weiterer Vorteil der Schaltung nach Fig. 6 gegenüber Fig. 4 ist zu erwähnen: Die Bezugsspannung kann fest sein. Man kann nämlich die Anzahl der Windungen der Meßspule 71 an jeden Motortyp anpassen, um die gewünschte Flußänderung zu erhalten, bei der der Antriebsimpuls abgebrochen werden muß.

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Schließlich ist es auch möglich, die Induktionsflußmessung im Stator dadurch vorzunehmen, daß man die Äntriebsspannungsimpulse, die an der Antriebsspule liegen, zerhackt, so daß diese Spule alternierend von Impulsen hoher Frequenz gespeist wird,, bzw. einen offenen Kreis darstellt, wobei man die Spannung über den Klemmen der Spule erfaßt, wenn diese den offenen Kreis bildet und diese Spannung integriert.

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Claims

Ansprüche

1. Verfahren zum Verringern des Energieverbrauchs eines in ein elektronisches Uhrwerk eingebauten Schrittschaltmotors, durch automatische Anpassung der Breite der Antriebsspannungsimpulse, die dem Motor zugeführt werden an seine Belastung und an seine Speisespannung, wobei der Motor mindestens eine Antriebsspule, einen Stator und einen Rotor umfaßt, der um einen bestimmton Winkel gedreht wird, sobald ein Antriebsspannungsimpuls an die Antri<±>sspule angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei jedem Antriebsspannungsimpuls die Veränderung des magnetischen Induktionsflusses in den Stator gemessen wird und daß der Antriebsspannungsimpuls beendet wird, sobald die Flußänderung einen vorgegebenen Wert erreicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene Wert der Flußänderung zwischen einem Minimalwert, erforderlich zum Drehenlassen des Rotors und einem Maximalwert bemessen wird, der erreicht wird, sobald der Rotor den vorgegebenen Winkel durchlaufen hat.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsflußänderung im Stator durch Erfassen des Stromes in der Antriebsspule und Integrieren der Differenz zwischen der Speisespannung des Motors und dem Produkt dieses Stromes mit dem Gleichstromwiderstand der Antriebsspule gemessen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Meßspule vorgesehen wird und daß die Induktionsflußänderung gemessen wird durch Integration der in der Meßspule induzierten Spannung.

5. Elektronisches Uhrwerk mit einem Oszillator zum. Erzeugen eines Standardfrequenzsignals mit einem Frequenzteilerschaltkreis, der an den Oszillator angekoppelt ist zum Erzeugen eines Zeitsignals niedriger Frequenz mit einem Schrittschaltmotor, der mindestens eine Antriebsspule, einen Stator und einen Rotor umfaßt, mit einem Speisekreis zum Erzeugen und periodischen Anlegen von Antriebsspannungsimpulsen an die Antriebsspule in Abhängigkeit von dem Zeitsignal und mit einer Steuereinrichtung zum Steuern des Speisekreises derart, daß automatisch die Breite der Impulse an die Belastung des Motors und die Speisespannung angepaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung eine Meßeinrichtung umfaßt zum Messen bei jedem.Impuls der Antriebsspannung, der Veränderung des magnetischen Induktionsflusses im Stator und zum Erzeugen eines Meßsignals, das den Wert dieser Flußänderung repräsentiert,sowie Schaltkreise umfaßt, an die das Meßsignal· angelegt ist zum Erzeugen eines Unterbrechungssignais für den Antriebsspannungsimpuls und Anlegen dieses Signals an den Speisekreis, sobald die Flußänderung einen vorgegebenen Wert erreicht.

6. Elektronisches Uhrwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erzeugen des Unterbrechungssignais für den Antriebsspannungsimpuls Schaltkreise umfaßt zum Erzeugen eines Bezugssignals entsprechend dem vorgegebenen Wert der Flußänderung, sowie Schaltkreise zum Vergleichen des Meßsignals mit dem Bezugssignal.

7. Elektronisches Uhrwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene Wert zwischen einem Minimalwert der Flußänderung, notwendig zum Dreheniassen des Rotors, und einem Maximalwert liegt, der erreicht wird, sobald der Rotor den vorgegebenen Winkel durchlaufen hat.

8. Elektronisches Uhrwerk nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung einen Strommeßkreis umfaßt zum Bestimmen des in der Antriebsspule fließenden Stromes, sowie einen Rechnerschaltkreis umfaßt, der an einen ersten Eingang, angekoppelt an den Meßschaltkreis, eine Spannung proportional diesem Strom, erhält, sowie an einem zweiten Eingang die Speisespannung des Motors zum Be-

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rechnen des Integrals der Differenz zwischen der Speisespannung und dem Produkt aus dem Strom und dem Gleichstratwiderstand der Antriebsspule.

9. Elektronisches Uhrwerk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechnerschaltkreis umfaßt:

- Eine erste und eine zweite Kapazität,

- einen Integrierschaltkreis mit einer dritten Kapazität und einem elektronischen Unterbrecher, der über die Klemmen der dritten Kapazität gelegt ist,

- einen ersten elektronischen Umschalter zum Verbinden der ersten Kapazität mit dem ersten Eingang des Rechnerkreises oder mit dem Eingang des Integrierkreises,

- einen zweiten elektronischen Unterbrecher zum Verbinden der zweiten Kapazität mit dem zweiten Eingang des Rechnerkreises oder mit dem Eingang des Integrierkreises und

- einen an den Speisekreis und an den Frequenzteilerkreis angekoppelten Schaltkreis, der einerseits für die Steuerung des öffnens des elektronischen Unterbrechers während der Dauer jedes Antriebsspannungsimpulses und zum Schließen dieses Unterbrechers zwischen zwei dieser Impulse ausgebildet ist und andererseits zum Steuern, mindestens während der Dauer jedes Antriebsspannungsimpulses, des ersten und des zweiten Umschalters ausgebildet ist durch ein periodisches Signal hoher Frequenz derart, daß die ersten und zweiten Kapazitäten sich als alternierend mit der Frequenz des Hochfrequenzsignals,alternierend auf eine Spannung proportional dem Strom in der Antriebsspule bzw. die Speisespannung der Antriebsspule aufladen und sich alternierend in die dritte Kapazität entladen,und daß die Ladungen, die von der ersten und zweiten Kapazität ^tie dritte Kapazität übertragen werden, entgegengesetztes Vorzeichen aufweisen.

10. Elektronisches Uhrwerk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung proportional dem Strom in der Antriebsspule,, angelegt an den ersten Eingang des Rechnerkreises, die Sättigungsspannung eines

- 4 Transistors ist, der in Serie mit der Antriebsspule geschaltet ist.

11. Elektronisches Uhrwerk nach Anspruch 10, bei dem der Schrittschaltmotor ein Motor mit zwei stabilen Positionen ist, an dessen Antriebsspule Antriebsspannungsirnpulse alternierender Polarität über zwei Inverter anlegbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß der in Serie mit der Antriebsspule gcjschaLtete Transistor der leitende Transistor eines der Inverter ist.

12. Elektronisches Uhrwerk nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung eine mit dem Stator verkoppelte Meßspule und einen Integrierschaltkreis zum Integrieren der in der Meßspule integrierten Spannung umfaßt.