AT393575B - Vorrichtung zur steuerung von mehrphasigen schrittmotoren - Google Patents

Description

AT 393 575 B

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung von mehrphasigen Schrittmotoren mit einem Mikrocomputer, der über Steuerausgänge mit den Schrittmotoren und eingangsseitig über eine Regelvorrichtung mit einer Stromversorgungseinrichtung verbunden ist und der Schrittphasen durch Änderung des Logikpegels der Steuerausgänge erzeugt

Bei einer derartigen Vorrichtung benötigt der Mikrocomputer für jeden Schrittmotor Steuerausgänge für jede Phase. Über diese werden die vom Mikrocomputer erzeugten Impulsfolgen zu den Schrittmotoren geleitet. Die Vorrichtung ist vor Spannungsschwankungen, leitungsgebundenen Störimpulsen und Hochfrequenzstörungen zu schützen, wie sie beispielsweise im Bordnetz von Fahrzeugen mit Explosionsmotor auftreten. Im allgemeinen ist sicherzustellen, daß die über die Impulsfolgen angesteuerten Schritte von den Schrittmotoren auch tatsächlich ausgeführt wurden. Die Schutzbeschaltungen wirken meist flankengesteuert, entweder auf einen Interrupteingang des Mikrocomputers oder auf einen Schutzschaltkreis. Bei eingestreuten Störimpulsen kann es zu Fehlfunktionen kommen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Störsicherheit der Schrittmotoransteuerung insbesondere im Hochfrequenzbereich zu erhöhen.

Dies wird gemäß Patentanspruch 1 dadurch gelöst, daß zwischen den Steuerausgängen und den Schrittmotoren jeweils eine Logikschaltung angeordnet ist, die mindestens eine weitere Schrittphase aus einer Schrittphase am Steuerausgang ableitet, daß eine Prüfschaltung für Kurzschluß an den Schrittmotoren der Logikschaltung parallel geschaltet und über ein Sperrglied mit ihr verbunden ist, daß der Regelvorrichtung ein Energiespeicher für den kurzzeitigen Betrieb des Mikrocomputers parallelgeschaltet ist, daß mindestens ein Überwachungseingang des Mikrocomputers mit einer Klemme der Stromversorgungseinrichtung verbunden und aus der Klemmenspannung ableitbar ist, daß ein regulärer Schritt eines Schrittmotors nicht mehr ausführbar ist und daß bei Kurzschluß und/oder Störung der Klemmenspannung ein Stopschritt ausgegeben wird und die aktuellen Schrittpositionen und überwachten Spannungen vom Mikrocomputer gespeichert und ausgewertet werden.

Die Impulsfolgen der Schrittphasen für die Schrittmotoren werden teilweise vom Mikrocomputer und teilweise von der Logikschaltung erzeugt. Dadurch wird die Zahl der notwendigen Steuerausgänge vermindert und es ergibt sich ein einfacherer Aufbau des im Mikrocomputer äblaufenden Erzeugungsprogramms der Impulsfolgen der Schrittphasen. Die Software ist leichter wartbar und hat eine geringere Fehleranfälligkeit. Die Schrittmotoren bleiben unabhängig voneinander ansteuerbar. Der Aufbau der Logikschaltung ist auf diejenigen Elemente beschränkt, die leistungsmäßig zur Schrittmotoransteuerung nötig sind. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist unempfindlich gegen Hochfrequenzstörangen, da kein externer Interrupt des Mikrocomputers oder Spitzenwert-Gleichrichter verwendet wird. Aus der Überwachung gegebenenfalls mehrerer Klemmenspannungen der Stromversorgungseinrichtung wird abgeleitet, ob es bei der Ausführung des letzten Schrittes zu Versorgungsschwierigkeiten gekommen ist, oder beim nächsten Schritt kommen könnte. Die Prüfschaltung überwacht die Schrittmotoren. Die Ergebnisse werden durch den Mikrocomputer ausgewertet und der vorangegangene Schritt nötigenfalls wiederholt

Zur Vermeidung eines flankengetriggerten Schutzschaltkreises zur Kuizschlußüberwachung ist es vorteilhaft, daß die Prüfschaltung aus einem Meßwiderstand, einem Komparator und einem Anzeigekondensator besteht, wobei die Speicherzeit mit einem Ladewiderstand so zu wählen ist, daß die Ladekurve mindestens bis zur Ermittlung der anschließenden Impulsfolge durch den Mikrocomputer einen bestimmten Grenzwert nicht überschreitet. Im Kurzschlußfall wird der Anzeigekondensator durch den Komparator entladen. Über das Sperrglied werden die Ausgänge der Logikschaltung so schnell (in weniger als 1 - 2 msec) auf den Logikpegel "Null" gesetzt, daß ein im allgemeinen nachgeschalteter Transistor gegen Kurzschluß geschützt ist Der Anzeigekondensator dient als Informationsspeicher. Der Ladezustand des Anzeigekondensators wird vor jedem Schritt abgefragt.

Zur kontinuierlichen Versorgung des Mikrocomputers enthält die Regelvorrichtung einen Spannungsregler und eine Mindestspannungsversorgung. Dadurch ist ein stand-by-Betrieb möglich, wenn keine Steuerung der Schrittmotoren notwendig ist

Um sicherzustellen, daß bei einem Spannungseinbruch bzw. beim Abschalten einer der Klemmenspannungen die Erzeugung der Impulsfolge durch den Mikrocomputer nicht gestört wird, ist der Energiespeicher als Speicherkondensator ausgebildet. Diese Maßnahme ist ausreichend, da für den Betrieb des Mikrocomputers nur wenig Strom notwendig ist.

Eine besonders günstige Aufteilung der Logikfunktionen auf Hardware und Software ergibt sich, wenn eine Hälfte der Schrittphasen durch den Mikrocomputer und die andere Hälfte durch die Logikschaltung erzeugbar ist Sind die Schrittmotoren vierphasig, so sind zwei Schrittphasen durch den Mikrocomputer und zwei Schrittphasen von der Logikschaltung durch Invertieren der Schrittphasen des Mikrocomputers erzeugbar, und es ist ein Endstufentransistor mit Freilaufdiode je Schrittphase zwischen die Logikschaltung und jeden Schrittmotor geschaltet. Die Endstufentransistoren werden durch die Logikschaltung direkt und schnell geschützt

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles mit Zeichnungen näher erläutert Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild des Ausführungsbeispieles,

Fig. 2 den Aufbau da- Logikschaltung und

Fig. 3 die Schaltung der Stromversorgung.

Fig. 1 zeigt die Steuerung von drei unipolaren, vierphasigen Schrittmotoren (SM), die in einem Kraftfahrzeug verwendet werden. Von einem Mikrocomputer (μ£) werden zwei Schrittphasen »zeugt und an Steueraus- -2-

AT 393 575 B gängen (SA) ausgegeben. Eine Logikschaltung (LS) invertiert diese Impulsfolgen und erzeugt die beiden restlichen Schrittphasen. Durch eine Prüfschaltung (PS) kann ein Kurzschluß gegen die positive Bordnetzspannung festgestellt werden, und in diesem Fall wird Ober ein Spenglied (SG) die Ausgabe der Schrittphasen unterbrochen. Der Mikrocomputer (pC) wird über eine Regelvairichtung (RV) von der 12-Volt Kraftfahrzeugbatterie als Stromversorgungseinrichtung (SV) gespeist Der Regelvorrichtung (RV) ist ein Energiespeicher (ES) parallelgeschaltet, der gewährleistet, daß der Mikrocomputer (pC) bei einem Spannungseinbruch einige Millisekunden Weiterarbeiten kann. Zwei Überwachungseingänge (LJE) des Mikrocomputer (pC) sind mit Spannungsklemmen der Stromversorgungseinrichtung (SV) verbunden. Der Energiespeicher (ES) ist durch Dioden (D) gegen Entladung über die Stromversorgungscinrichtung (SV) gesperrt.

In Fig. 2 ist die Schaltung zwischen dem Mikrocomputer (pC) und einem Schrittmotor (SM) genauer dargestellt. Die beiden Impulsfolgen der Schrittphasen werden vom Mikrocomputer (pC) an den beiden Steuerausgängen (SA) ausgegeben. Zwei NOR-Gatter (NG) invertieren diese Impulsfolgen und «zeugen die beiden restlichen Schrittphasen. Eine Sperrung von Endstufentransistoren (T) des Schrittmotors (SM) wird über ein weiteres NOR-Gatter (NG) und einen Schmidt-Trigger als Inverter (I) erreicht. NOR-Gatter (NG) und AND-Gatter (AG) sind in HC-MOS Technologie ausgeführt und sie liefern gleichzeitig die Treiberfimktion für die Endstufentransistoren (T). Die Endstufentransistoren (T) sind über Widerstände (R) (680 Ω) zur Strombegrenzung mit den Gattern (NG), (AG) und über Freilaufdioden (DF) mit der Bordnetzspannung verbunden.

Ein Meßwiderstand (MR) (0,5 W; ± 5 %; 1Ω) erzeugt bei Kurzschluß der Endstufentransistoren (T) gegen die positive Bordnetzspannung einen Spannungspegel an einen Komparator (K), der als Fehlersignal identifiziert wird. Dadurch wird ein Anzeigekondensator (AC) (100 nF) entladen, und über einen weitmen Inverter (I) werden die Treibergatter gesperrt. Dadurch nehmen die Ausgänge den Logikpegel "Null" an, und die Endstufentran-sistoren (T) werden in den stromlosen Zustand geschaltet. Der Anzeigekondensator (AC) dient somit als Informationsspeicher für Kurzschluß. Die Speicherzeit wird von einem Ladewiderstand (LR) (270 ΙεΩ) bestimmt. Die Zeitkonstante dieses RC-Gliedes ist so gewählt, daß die Ladekurve mindestens bis zur Ermittlung der nächsten Impulsfolge durch den Mikrocomputer (pC) einen bestimmten Grenzwert nicht überschreitet (τ = 27 msec). Ein weiteres RC-Glied mit Kondensator (C) (100 nF) und Dämpfungswiderstand (DR) (10 ΙίΩ) dient zur Entstörung gegen kurze Spannungsimpulse.

Die in Fig. 3 detailliert dargestellte Regelvorrichtung (RV) ist üb« verschiedene Klemmen mit der 12-Volt Kraftfahrzeugbatterie verbunden. Eine erste Klemme (KL30) liegt bei jeder Zündschlüsselstellung an der Batterie an. Über die erste Klemme (KL30) wird die Regelvorrichtung (RV) im Normalbetrieb ständig mit Strom versorgt. Während der Fahrt wird zusätzlich über eine zweite und dritte Klemme (KL75), (KL15) Strom zugeführt. Diese Bezeichnung der drei Klemmen (KL30), (KL75), (KL15) ist in der Kraftfahrzeugtechnik üblich. In der "Garagenstellung" am Zündschloß des Fahrzeuges ist nur die zweite Klemme (KL75) und beim Starten nur die dritte Klemme (KL15) zusätzlich mit der Batterie verbunden. Die Freilaufdioden der Schrittmotoren sind mit der zweiten Klemme (KL75) verbunden.

Die Versorgungsspannung des Mikrocomputers (pC) wird von einem Spannungsregler (SR) erzeugt und ist die Hauptversorgung der Schaltung. Im Ruhezustand bei abgestelltem Fahrzeug «folgt die Versorgung über eine Mindestspannungsversorgung (MSV) für einen stand-by-Betrieb. Durch einen Glättungskondensator (GC) werden Störimpulse geglättet und kurzzeitige Spannungsausfälle überbrückt. Zur Spannungsüberwachung wird der Zustand der zweiten und dritten Klemme (KL75), (KL15) abgefragt. Diese sind dazu über je eine Schutzschaltung (SS) mit als Überwachungseingänge (ÜE) dienenden Analog-Digital-Eingängen des Mikrocomputers (pC) verbunden. Der En«giespeich« ist als Speicherkondensator (SC) (2 x 250 pF) mit dem Spannungsregl« (SR) verbunden.

Das Programm des Mikrocomputers (pC) zur Erzeugung der Schrittphasen (Schritteprogramm) wird im "Timerinterrupt" jeweils alle 5 msec gestartet Die in diesem Programm ablaufende Arithmetik darf nicht unterbrochen werden und das Ergebnis muß nach dem Ablauf gespeichert werden. In d« übrigen Zeit laufen Hauptprogramme. Die Daten der Hauptprogramme können bei Spannungsausfall gelöscht werden, da sie bei einem Neustart wiederhergestellt werden. Spannungseinbrüche treten hauptsächlichst beim Starten des Fahrzeuges auf. Während eines Spannunseinbruches besteht die Gefahr, daß Informationen verloren gehen oder Schritte von den Schrittmotoren (SM) nicht ausgeführt werden. Wenn beispielsweise während der Ausführung eines Schrittes die Eingangsspannung an d« Regelvorrichtung (RV) zusammenbricht, ist es nicht sicher, ob sich der Schrittmotor (SM) weiterbewegt hat oder nicht. Gleiches gilt auch bei einem Kurzschluß an einem der Endstufentransistoren (T).

Vor Beginn der Schrittausgabe wird daher die Spannung an der zweiten und dritten Klemme (KL75), (KL15) und des Anzeigekondensators (AC) abgefiagL Falls die Spannung« den richtig« Wert auf weisen, wird die Erzeugung der Schrittphas« fteigegeb«.

Ist mindestens eine der Klemmenspannungen nicht mehr ausreichend (Spannung an (KL15) und/oder (KL75) weg), so ist nicht mehr gewährleistet, daß der Mikrocomputer (pC) noch genügend Energie für den korrekten Ablauf des Schritteprogramms hat. Weit«s ist es ein Zeichen dafür, daß möglicherweise beim vorange-gangenen Schritt d« Schrittmotoren (SM) nicht mehr genügend Strom für die Ausführung des Schritteprogramms vorhanden war. Entsprechendes gilt insbesondere bei entladenem Anzeigekond«sator (AC), wodurch -3-

Claims (6)

1. AT 393 575 B ein Kurzschluß angezeigt wird. Es wird ein Stopschritt ausgegeben. Die aktuelle Position jedes Schrittmotors (SM) wird zusammen mit den genauen Stopbedingungen abgespeicherL Falls die Spannungen wieder anliegen, wird die Stqpbedingung abgefragt und daraus die Startbedingungen festgelegt Damit wird sichergestellt daß in den Störfällen Spannungsausfall und Kurzschluß gegen Batteriespannung die Schrittposition des Schrittmotors (SM) erhalten bleibt und kein Schritt verloren geht PATENTANSPRÜCHE 1. Vorrichtung zur Steuerung von mehrphasigen Schrittmotoren mit einem Mikrocomputer, der über Steuerausgänge mit den Schrittmotoren und eingangsseitig über eine Regelvorrichtung mit einer Stromversorgungseinrichtung verbunden ist und der Schrittphasen durch Änderung des Logikpegels der Steuerausgänge erzeugt dadurch gekennzeichnet daß zwischen den Steuerausgängen (SA) und den Schrittmotoren (SM) jeweils eine Logikschaltung (LS) angeordnet ist die mindestens eine weitere Schrittphase aus einer Schrittphase am Steuerausgang (SA) ableitet daß eine Prüfschaltung (PS) für Kurzschluß an den Schrittmotoren (SM) der Logikschaltung (LS) parallel geschaltet und über ein Sperrglied (SG) mit ihr verbunden ist, daß der Regelvorrichtung (RV) ein Energiespeicher (ES) für den kurzzeitigen Betrieb des Mikrocomputers (pC) parallelgeschaltet ist daß mindestens ein Überwachungseingang (ÜE) des Mikrocomputers (μΟ mit einer Klemme (KL15, KL75) der Stromversorgungseinrichtung (SV) verbunden und aus der Klemmenspannung ableitbar ist daß ein regulärer Schritt eines Schrittmotors (SM) nicht mehr ausführbar ist und daß bei Kurzschluß und/oder Störung der Klemmenspannung ein Stopschritt ausgegeben wird und die aktuellen Schrittpositionen und überwachten Spannungen vom Mikrocomputer (pC) gespeichert und ausgewertet werden.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfschaltung (PS) aus einem Meßwiderstand (MR), einem Komparator (K) und einem Anzeigekondensator (AC) besteht wobei die Speicherzeit mit einem Ladewiderstand (LR) so zu wählen ist daß die Ladekurve mindestens bis zur Ermittlung der anschließend»! Impulsfolge durch den Mikrocomputer (pC) einen bestimmten Grenzwert nicht überschreitet.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelvorrichtung (RV) einen Spannungsregler (SR) und eine Mindestspannungsversorgung (MSV) enthält
4. 4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeicher (ES) als Speicherkondensator (SC) ausgebildet ist
5. 5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hälfte der Schrittphasen durch den Mikrocomputer (pC) und die andere Hälfte durch die Logikschaltung (LS) erzeugbar ist
6. 6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrittmotoren (SM) vierphasig sind und daß zwei Schrittphasen durch den Mikrocomputer (pC) und zwei Schrittphasen von der Logikschaltung (LS) durch Invertieren der Schritlphasen des Mikrocomputers (pC) erzeugbar sind und daß ein Endstufentransistor (T) mit Freilaufdiode (DF) je Schrittphase zwischen die Logikschaltung (LS) und jeden Schrittmotor (SM) geschaltet ist Hiezu 2 Blatt Zeichnung»! -4-