DE10005021A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung einer aktiven Stelleinheit - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ansteuerung einer aktiven Stelleinheit (4), die einen Schrittmotor (6) und eine Motorsteuerschaltung (5) umfaßt, von einer Steuereinrichtung (2), die über eine Schnittstelle (3) Steuerbefehle an die Stelleinheit (4) überträgt. Um die Verstellgeschwindigkeit der Stelleinheit von der Ansteuerfrequenz der Steuereinrichtung (2) unabhängig zu machen und die Übertragung störunempfindlicher durchzuführen, wird vorgeschlagen, daß als Steuerbefehle absolute Schrittmotorpositions-Sollwerte über die Schnittstelle (3) übertragen werden, die von der Motorsteuerschaltung (5) zur Verstellung des Schrittmotors (6) auf diese Schrittmotorposition umgesetzt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung einer aktiven Stelleinheit, die einen Schrittmotor und eine Motorsteuerschaltung umfaßt, von einer Steuereinrichtung, die über eine Schnittstelle Steuerbefehle an die Stellantriebseinheit überträgt. Eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung.

Als aktive Stelleinheiten werden sogenannte intelligente Schrittmotoren ("Smart Mover") bezeichnet, welche jeweils mindestens einen Schrittmotor und eine daran angeschlossene Motorsteuerlogik umfassen. Diese intelligenten Aktoren werden von einer übergeordneten Steuereinrichtung, einem Mastersystem, über eine Schnittstellenleitung, die als Daten- Busleitung dient, mit Steuerbefehlen zur Verstellung des Schrittmotors angesteuert. Durch diese Bus-Steuerung in Verbindung mit aktiven "intelligenten" Schrittmotor- Steuereinheiten ist es möglich, den Verkabelungsaufwand gegenüber herkömmlichen Kabelbäumen mit Steuerleitungen für jeden Stellantrieb drastisch zu reduzieren.

Anwendung finden derartige Systeme beispielsweise im Kraftfahrzeug, wo Schrittmotor-Steller, beispielsweise in Klimaregelungseinrichtungen und in Leuchtweitenregelungssystemen, ihre Bestromungsinformationen über einen derartigen Steuerbus erhalten.

Ein derartiges Verfahren zur Ansteuerung eines Schrittmotors ist beispielsweise aus der DE 43 05 086 A1 bekannt. Dem Schrittmotor einer Stelleinheit ist dabei jeweils eine Motorsteuerschaltung zugeordnet, welche eine Ansteuerlogik und eine Leistungsstufe zum Betrieb des Schrittmotors umfaßt. Mittels der über die Schnittstellenleitung übertragenen Taktimpulse wird von einem Steuergerät die Verstellung und die Bewegungsrichtung des Schrittmotors vorgegeben. Ein vergleichbarer Weg wird mit dem in der Praxis bekannten MI- Bus (Motorola Interconnect-Bus) verwendet. Eine übergeordnete Steuereinrichtung (Master) ist über eine drei-adrige Busleitung mit einer Mehrzahl von aktiven Stelleinheiten verbunden. Darüber können die Motorsteuerschaltungen adressiert werden. Der über den MI-Bus übertragene Bestromungsimpuls wird über die integrierte Endstufe direkt in einen Schrittimpuls für den Schrittmotor umgesetzt.

Nachteilig bei dem vorbekannten Verfahren ist jedoch, daß zur Durchführung jedes Stellschrittes durch den Schrittmotor über die Busleitung ein Steuerbefehl übertragen werden muß, d. h. eine Buskommunikation stattfinden muß. Die maximale Ansteuerfrequenz der Schrittmotoren ist folglich durch die Übertragungsleistung der Schnittstelle begrenzt. Außerdem ermöglicht die sequenzielle Übertragung von relativen Steuerbefehlen, welche jeweils nur eine Schrittmotorverstellung unabhängig von der tatsächlichen Schrittmotor-Ist-Position bewirken, keine effektive Beherrschbarkeit von Störungen. Das Auftreten von Fehlschritten durch elektrische und/oder mechanische Störungen ist ohne eine aufwendige Rückmeldung dadurch nämlich nicht erkennbar und erst durch eine erneute Initialisierung unter definierten Betriebsbedingungen zu beheben, die jedoch bei einem Kraftfahrzeug beispielsweise lediglich beim Starten vorgenommen wird, indem die Schrittmotoren gegen einen definierten Null-Anschlag gefahren werden. Im nachfolgendem Betrieb können jedoch aufgrund von Fehlschritten erhebliche Fehlpositionierungen auftreten, welche bei sicherheitsrelevanten Einrichtungen, wie beispielsweise Beleuchtungseinrichtungen, zu erheblichen Gefährdungen führen können.

Angesichts dessen liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabenstellung zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen anzugeben, welche die vorgenannten Nachteile möglichst vermeidet. Insbesondere soll die Begrenzung der Ansteuerfrequenz durch die Schnittstelle aufgehoben werden und eine möglichst einfache Möglichkeit zur Fehlerkorrektur- und behebung bei Übertragungsstörungen ermöglicht werden.

Zur Lösung der vorgenannten Problematik schlägt das erfindungsgemäße Verfahren vor, daß als Steuerbefehle absolute Schrittmotorpositions-Sollwerte über die Schnittstelle übertragen werden, die von der Motorsteuerschaltung zur Verstellung des Schrittmotors auf diese Schrittmotorposition umgesetzt werden.

Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren erhält die Motorsteuerschaltung der aktiven Stelleinheit nicht lediglich eine relative Bewegungsinformation, sondern beim erfindungsgemäßen Verfahren eine absolute Positionsangabe für den Stellantrieb, daß heißt einen Sollwert, auf den der Schrittmotor einzustellen ist. Die Motorsteuerschaltung vergleicht diesen, von der Master-Steuereinrichtung über die Schnittstellenleitung (Busleitung) übertragenen Sollwert mit dem momentanen Istwert der Schrittmotorposition und veranlaßt bei einer Abweichung eine Verstellung des Schrittmotors bis der vorgegebene Sollwert erreicht ist.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Ansteuerfrequenz des Schrittmotors unabhängig ist von der Datenübertragung der Steuereinrichtung über die Schnittstelle. Dabei ist es nämlich ausreichend, die Steuerbefehle in der Master-Steuereinrichtung zunächst anhand der Sensor-Meßwerte zu berechnen und mit konstanter Übertragungsrate, die relativ niedrig sein kann, über die Schnittstelle zu übertragen. Die Schrittmotorsteuerung kann von der Motorsteuerschaltung mit weitaus höherer Schrittfrequenz erfolgen, so daß eine entsprechend höhere Stellgeschwindigkeit erreicht wird, wobei jedoch die Schnittstelle nicht durch eine höhere Datenübertragungsrate belastet wird. Die Rechenleistung der Steuereinrichtung zur Schnittstellenbedienung ist dadurch konstant gering.

Ein weiterer Vorteil ist, daß die Übertragung der Bewegungsinformation beim erfindungsgemäßen Verfahren relativ fehlertolerant ist. Ein gestörter oder ausgefallener Steuerbefehl führt nämlich nicht, wie im Stand der Technik, zu einer bleibenden Fehleinstellung, sondern lediglich zu einer kurzzeitigen Schrittmotorverstellung auf einen unzutreffenden Sollwert. Durch die erfindungsgemäße, kontinuierlich aufeinanderfolgende Übertragung der Sollwerte wird nämlich beim nächsten, ungestörten Steuerungsbefehl automatisch die korrekte Schrittmotor-Sollposition eingestellt. Durch Übertragungsstörungen kommt es folglich allenfalls zu einer kurzfristigen Verzögerung bei der Bewegung der Stelleinheit, die jedoch bei den meisten Anwendungen im Kraftfahrzeug, z. B. der Klimaregelung oder der Leuchtweitenregelung in der Praxis durch die Trägheit der Systeme bzw. der menschlichen Wahrnehmung nicht bemerkbar sein. Bei einer hinreichend hohen Frequenz der Schnittstellenbedienung durch die Steuereinrichtung, beispielsweise in Zeitintervallen von 30 ms, können von der Stelleinheit keine von der Sollposition signifikant abweichenden Fehlpositionen angefahren werden, welche zu einer merklichen Beeinträchtigung führen könnten. Insbesondere bei sicherheitsrelevanten Anwendungen, beispielsweise bei der Verstellung von Fahrzeugscheinwerfern zur Leuchtweiteregelung, sorgt das erfindungsgemäße Verfahren für einen erheblichen Sicherheitsgewinn, da eine dauernde Blendung des Gegenverkehrs durch eine anhaltende Fehlpositionierung des Scheinwerfers weitestgehend vermieden wird.

Die Steuerbefehle werden beim erfindungsgemäßen Verfahren von der Master-Steuereinrichtung als digitale Datensätze an die Motorsteuerschaltung übertragen. Mit dem Schrittmotor bildet die Motorsteuerschaltung einen digitalen Lageregler, bei dem der Schrittmotor von der Motorsteuerschaltung auf den dort durch den übertragenen Datensatz vorgegebenen Sollwert eingeregelt wird. Die Regelgenauigkeit kann durch den übertragenen Steuerbefehl unabhängig von der Betriebsfrequenz der Schnittstelle mit einer hinreichend hohen Auflösung vorgegeben werden. Für Anwendungen, die bezüglich der Stellgenauigkeit besonders hohe Anforderungen stellen, kann ein Schrittmotor mit Lagerückmeldung zur Motorsteuerschaltung verwendet werden.

Zur Erhöhung der Übertragungssicherheit kann vorgesehen werden, daß die Steuerbefehle Prüfdaten erhalten, die in der Steuerschaltung geprüft werden. Auf diese Weise kann einfach ein Sicherungsverfahren realisiert werden, um zu gewährleisten, daß gestörte Steuerbefehle als fehlerhaft erkannt werden und in der Ansteuerung der Stelleinrichtung nicht berücksichtigt werden. Ein einfaches Sicherungsverfahren läßt sich durch Überprüfung eines Paritätsbits (Parity bit) zu realisieren, bei dem die Parität einer Prüfsumme als Sicherungsmerkmal herangezogen wird. Offensichtlich ungültige, verfälschte Sollwerte können von vornherein durch Vorgabe eines als gültig zu akzeptierenden Wertebereichs eingeschränkt werden.

Vorzugsweise werden die Steuerbefehle über eine Busleitung, beispielsweise eine 1-Draht-Steuerleitung, übertragen.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt mittels einer Vorrichtung mit einer aktiven Stelleinheit, die einen Schrittmotor und eine Motorsteuerschaltung umfaßt, und die über eine Schnittstelle von einer Steuereinrichtung ansteuerbar ist, wobei von der Steuereinrichtung Steuerbefehle an die Motorsteuerschaltung abgebbar sind.

Derartige Vorrichtungen sind im Stand der Technik bekannt. Zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgesehen, daß von der Steuereinrichtung als Steuerbefehle absolute Schrittmotorpositions-Sollwerte an die Motorsteuerschaltung übertragbar sind und der Schrittmotor von der Motorsteuerschaltung auf diese Schrittmotorposition einstellbar ist.

Die Steuereinrichtung bildet dabei das übergeordnete Steuersystem für die aktiven Steller, welche als sogenannte intelligente Schrittmotoren oder intelligente Aktoren ausgeführt sind. Die Steuereinrichtung, auch als Mastersystem bezeichnet, kann als separates oder integriertes Steuergerät ausgebildet sein oder beispielsweise Bestandteil der Zentralelektronik, etwa der zentralen Fahrzeugelektronik in einem Kraftfahrzeug. Von dieser Steuereinrichtung werden die Sollwerte für die Stelleinheit, das heißt die Schrittmotorpositions-Sollwerte anhand von Meßwerten berechnet, die von Sensoreinrichtungen ermittelt werden. Bei einem Kraftfahrzeug können dies beispielsweise die Parameter sein, welche eine Neigung des Kraftfahrzeugs relativ zum Untergrund beeinflussen, aus denen das Sollwert für die Neigung der Scheinwerfer bei einer Leuchtweitenregelungsvorrichtung bestimmt wird. Dieser Sollwert wird als Datensatz über eine serielle Schnittstelle, beispielsweise eine 1-Draht-Datenleitung, an die Motorsteuerschaltung übermittelt. Dort bildet sie die Sollwertvorgabe für den aus Motorsteuerschaltung und Schrittmotor gebildeten Lageregler für das an den Schrittmotor angeschlossene Stellelement.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Abbildung.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist schematisch in Fig. 1 dargestellt, die darin als ganzes mit dem Bezugszeichen 1 versehen ist. Diese weist eine Steuereinrichtung 2 auf, welche das Mastersystem zur Sollwertbestimmung bildet, die aus den Meßwerten einer im einzelnen nicht dargestellten Sensorik berechnet. Bei einem System zur Leuchtweitenregelung in einem Kraftfahrzeug kann dies ein separates oder integriertes Steuergerät oder auch die Kraftfahrzeug-Zentralelektronik sein, welche durch zyklisches Abtasten entsprechender Sensoren unter Berücksichtigung weiterer Informationen, wie beispielsweise der Fahrzeuggeschwindigkeit, eine Sollposition für die Neigung der Fahrzeugscheinwerfer berechnet.

Die Steuereinrichtung 2 ist über Schnittstellenleitungen (BUS-Leitungen) 3, die beispielsweise als 1-Draht- Steuerleitungen ausgeführt sein können, mit aktiven Stelleinheiten 4 verbunden. Diese bilden intelligente Aktoren, welche jeweils eine Motorsteuerschaltung 5, die unmittelbar mit einer integrierten Leistungsstufe an die Motorwicklungen eines Schrittmotors 6 angeschlossen sind.

Bei einer Leuchtweitenregelung sind die aktiven Steller 4 für die Verstellung des Neigungswinkels des Fahrzeugscheinwerfers zuständig. Dabei bildet die Motorsteuerschaltung 5 zusammen mit dem Schrittmotor 6 jeweils einen Lageregler. Dieser erhält seine Sollwertvorgabe über die Datensätze, welche von der Steuereinheit 2 über die Steuerleitungen 3 übertragen werden.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in dem Steuergerät 2 aus den anliegenden Sensor-Meßwerten zyklisch Schrittmotorpositions-Sollwerte berechnet. Diese absoluten Sollwertangaben werden als digitale Datensätze seriell über die Steuerleitungen 3 an die aktiven Stelleinheiten 4 übertragen. Dort werden sie von der Motorsteuerschaltung 5 empfangen und beispielsweise durch eine Paritätsbit-Überprüfung dahingehend überprüft, ob die Übertragung störungsfrei erfolgte. Wird eine einwandfreie Übertragung festgestellt, wird der Schrittmotorpositions- Sollwert als Ausgangswert für die Lageregelung herangezogen. Unabhängig von der Datenübertragung über die Schnittstellenleitungen 3 wird dann aus der Abweichung zwischen dem Sollwert und dem Motorpositions-Istwert festgelegt, mit welcher Motorbestromung und -frequenz die Sollposition angefahren wird.

Wird eine übertragene Sollpositionswert nicht als fehlerhaft erkannt, so wird dieser dennoch als gültig angenommen, wenn er sich in vorgegebenen, gültigen Wertebereichen befindet. Abhängig vom momentanen Betriebszustand kann daraus eine fehlerhafte Schrittmotorpositionierung erfolgen. Befindet sich die Stelleinheit 4 beispielsweise in einer schnellen Verstellbewegung in Richtung Aufblenden des Scheinwerfers einer Leuchtweitenregelung und der fehlerhafte Sollwert liegt entgegengesetzt in Richtung Abblenden, so wird aufgrund der Trägheit des Systems die Stellbewegung lediglich abgebremst, bevor über die Schnittstellenleitungen 3 der nächste Sollwert bei der Motorsteuerschaltung 5 eintrifft. Der maximal annehmbare Fehler würde auftreten, wenn sich der Schrittmotor 6 im bewegungslosen Zustand befindet und einen fehlerhaften Sollwert erhält, welcher eine Verstellung entgegengesetzt zur tatsächlich gewünschten Verstellrichtung vorgibt. Allerdings wird in der Praxis das Zeitfenster zwischen zwei von der Master-Steuereinrichtung 2 abgegebenen Schrittmotorpositions- Sollwerten so bemessen, beispielsweise 30-50 ms, so daß innerhalb dieses Zeitintervalls vom Schrittmotor 6 lediglich wenige Schritte aufgeführt werden können. Unter der Annahme, daß nach einer kurzfristigen Störung der nächste Sollwert wieder fehlerfrei übertragen wird, ist davon auszugehen, daß die gestörte Übertragung keine relevanten Auswirkungen bezüglich einer Fehlpositionierung, beispielsweise des Scheinwerfers in einer Leuchtweitenregelung, hat. Selbst die maximal zu erwartende Störung würde vom Fahrer nicht bemerkt und zu keiner kritischen Beeinträchtigung der Verkehrssicherheit führen.

Claims (6)

1. Verfahren zur Ansteuerung einer aktiven Stelleinheit, die einen Schrittmotor und eine Motorsteuerschaltung umfaßt, von einer Steuereinrichtung, die über eine Schnittstelle Steuerbefehle an die Stelleinheit überträgt, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuerbefehle absolute Schrittmotorpositions-Sollwerte über die Schnittstelle (3) übertragen werden, die von der Motorsteuerschaltung (5) zur Verstellung des Schrittmotors (6) auf diese Schrittmotorpositionen umgesetzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerbefehle als digitale Datensätze übertragen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerbefehle Prüfdaten enthalten, die in der Motorsteuerschaltung (5) geprüft werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrittmotorpositions-Sollwerte zyklisch übertragen werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerbefehle über eine Busleitung (3) übertragen werden.

6. Vorrichtung mit einer aktiven Stelleinheit (4), die einen Schrittmotor (6) und eine Motorsteuerschaltung (5) umfaßt, und die über eine Schnittstelle (3) von einer Steuereinrichtung (2) ansteuerbar ist, wobei von der Steuereinrichtung (2) Steuerbefehle an die Motorsteuerschaltung (5) abgebbar sind, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von der Steuereinrichtung (2) als Steuerbefehle absolute Schrittmotorpositions-Sollwerte an die Motorsteuerschaltung (5) übertragbar sind und der Schrittmotor (6) von der Motorsteuerschaltung (5) auf diese Schrittmotorposition einstellbar ist.