DE10154358A1

DE10154358A1 - Schrittmotor, Steuereinheit für einen Schrittmotor und zugehörige Anordnung

Info

Publication number: DE10154358A1
Application number: DE10154358A
Authority: DE
Inventors: Alexander Hinz; Stefan Jacob
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-11-06
Filing date: 2001-11-06
Publication date: 2003-05-22

Abstract

Schrittmotor (3), insbesondere zur Betätigung eines KFZ-Türschlosses, mit mindestens einer Motorleitung (7) zur elektrischen Ansteuerung des Schrittmotors (2, 3) durch eine Steuereinheit (1) sowie mindestens einem Schaltelement (10), dessen Schaltstellung durch die Stellung des Schrittmotors (2, 3) bestimmt wird, wobei das Schaltelement (10) mit der Motorleitung (7) verbunden ist, um der Steuereinheit (1) eine Rückmeldung über die Stellung des Schrittmotors (2, 3) zu geben.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schrittmotor, insbesondere zur Betätigung eines KFZ-Türschlosses, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, eine Steuereinheit zur Ansteuerung eines derartigen Schrittmotors gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8 sowie eine Anordnung aus Schrittmotor und zugehöriger Steuereinheit gemäß Anspruch 14.

Schrittmotoren verfügen üblicherweise über eine Ständerwicklung mit mehreren separat schaltbaren Ständerspulen, wobei die Anzahl der Ständerspulen den Schrittwinkel des Schrittmotors bestimmt. Die einzelnen Ständerspulen sind vorzugsweise bipolar ansteuerbar, um einen bidirektionalen Stellbetrieb des Schrittmotors zu ermöglichen. Jede Ständerspule weist deshalb vorzugsweise zwei Spannungsanschlüsse und einen Masseanschluss auf, wobei die Spannungsanschlüsse der einzelnen Ständerspulen über Motorleitungen mit einer separaten Steuereinheit verbunden sind, die den Schrittmotor elektrisch ansteuert.

Darüber hinaus sind Schrittmotoren bekannt, die eine Rückmeldung über die aktuelle Stellung des Schrittmotors ermöglichen. Derartige Schrittmotoren verfügen üblicherweise über mehrere Schaltelemente, deren Schaltstellung von der Stellung des Schrittmotors abhängt, wobei diese Schaltelemente über separate Signalleitungen durch die separate Steuereinheit abgefragt werden, um die aktuelle Stellung des Schrittmotors zu ermitteln.

Nachteilig an dieser bekannten Anordnung ist die Tatsache, dass zur Stellungsrückmeldung vom Schrittmotor an die separate Steuereinheit zusätzliche Leitungen erforderlich sind.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die vorstehend beschriebene bekannte Anordnung aus Steuereinheit und Schrittmotor dahingehend zu verbessern, dass zur Rückmeldung der Stellung des Schrittmotors an die Steuereinheit keine zusätzlichen Leitungen erforderlich sind.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich eines entsprechend gestalteten Schrittmotors durch die Merkmale des Anspruchs 1, hinsichtlich einer zugehörigen Steuereinheit durch die Merkmale des Anspruchs 1 und bezüglicher einer Anordnung aus Steuereinheit und Schrittmotor durch die Merkmale des Anspruchs 14 gelöst.

Die Erfindung umfasst die allgemeine technische Lehre, zur Übertragung von Signalen zwischen dem Schrittmotor und der Steuereinheit die Motorleitungen zu verwenden, die zur elektrischen Ansteuerung des Schrittmotors verwendet werden, so dass zur Informationsübertragung zwischen Schrittmotor und Steuereinheit keine zusätzlichen Leitungen erforderlich sind.

Vorzugsweise werden über die Motorleitungen Signale von dem Schrittmotor zu der Steuereinheit übertragen, welche die Stellung des Schrittmotors wiedergeben. Es ist jedoch im Rahmen der Erfindung auch möglich, andere Signale von dem Schrittmotor über die Motorleitungen zu der separaten Steuereinheit zu übertragen, wie beispielsweise die Ausgangssignale eines Drehmomentsensors oder anderer Sensoren.

Darüber hinaus ist die Erfindung hinsichtlich der Datenübertragung zwischen der Steuereinheit und dem Schrittmotor nicht auf eine unidirektionale Datenübertragung von dem Schrittmotor zu der Steuereinheit beschränkt. Vielmehr ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, dass über die Motorleitungen Signale von der Steuereinheit zu dem Schrittmotor bzw. der gesamten Schrittmotor-Einheit übertragen werden.

Darüber hinaus ist auch eine bidirektionale Datenübertragung zwischen dem Schrittmotor und der Steuereinheit über die Motorleitungen möglich.

Weiterhin ist zu erwähnen, dass die Datenübertragung über die Motorleitungen wahlweise analog oder digital erfolgen kann. So ist es beispielsweise möglich, den elektrischen Signalen zur Ansteuerung des Schrittmotors digitale oder analoge Signale aufzumodulieren, die dann in der Steuereinheit bzw. in dem Schrittmotor demoduliert werden. Ferner ist bei einer bidirektionalen Datenübertragung zwischen Schrittmotor und Steuereinheit beispielsweise ein Halbduplex-Betrieb oder ein Vollduplex-Betrieb möglich.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Signalübertragung jedoch von dem Schrittmotor zu der separaten Steuereinheit durch Abfrage von Schaltelementen in dem Schrittmotor, deren Schaltstellung die Stellung des Schrittmotors wiedergibt.

Vorzugsweise ist jeder Ständerspule im Falle einer unipolaren Ansteuerung der Ständerspulen jeweils ein Schaltelement parallel geschaltet. Im Falle einer bipolaren Ansteuerung der Ständerspulen zu Ermöglichung eines bidirektionalen Betriebes des Schrittmotors sind jeder Ständerspule vorzugsweise zwei Schaltelemente parallel geschaltet.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind hierbei Maßnahmen zur elektrischen Endkopplung der Ständerspulen von den Schaltelementen vorgesehen. Hierzu ist vorzugsweise in dem Schaltungszweig der Ständerspule und in dem Schaltungszweig des Schaltelementes jeweils mindestens eine Diode angeordnet, wobei die Dioden in den beiden Schaltungszweigen vorzugsweise umgekehrt zueinander gepolt sind. Während des Motorbetriebs ist dann jeweils die Diode in dem Schaltungszweig der Ständerspule in Durchlassrichtung gepolt, wohingegen die Diode in dem Schaltungszweig des Schaltelements während des Motorbetriebs in Sperrrichtung gepolt ist. Dies bedeutet, dass die Stellung der Schaltelemente in dieser Ausführungsform der Erfindung während des Motorbetriebs nicht abgefragt werden kann. Nach dem Ende des Motorbetriebs bzw. während einer Pause des Motorbetriebs ist dagegen die Diode in dem Schaltungszweig der Ständerspule in Sperrrichtung gepolt, wohingegen die Diode in dem Schaltungszweig des Schaltelementes in Durchlassrichtung gepolt ist und demzufolge abgefragt werden kann.

Zur elektrischen Entkopplung der Schaltelemente von den parallel geschalteten Schaltelementen kann statt einer Diode im Schaltungszweig der Schaltelemente auch ein relativ großer ohmscher Widerstand verwendet werden. Darüber hinaus ist auch jede beliebige Kombination von Widerständen bzw. Dioden in den Schaltungszweigen der Schaltelemente und der Ständerspulen denkbar.

Die Abfrage der Schaltelemente erfolgt vorzugsweise durch Spannungsimpulse, mit denen der Masseanschluss des Schrittmotors kurzzeitig beaufschlagt wird, so dass das elektrische Potential auf den Motorleitungen den Schaltzustand der zugehörigen Schaltelemente des Schrittmotors wiedergibt. Die Erzeugung der -kurzzeitigen Spannungsimpulse erfolgt vorzugsweise durch High-Side-Schalter in der Steuereinheit, die mit der Masseleitung des Schrittmotors verbunden sind.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet oder werden nachstehend zusammen mit dem in Fig. 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel näher erläutert.

So zeigt Fig. 1 eine Anordnung aus einer Steuereinheit 1 und zwei Schrittmotoren 2, 3, wobei die Schrittmotoren 2, 3 identisch aufgebaut sind, so dass im folgenden nur der Aufbau des Schrittmotors 2 beschrieben wird.
Der Schrittmotor 2 weist einen Läufer 4 sowie zwei Ständerspulen 5 auf, wobei die beiden Ständerspulen 5 bipolar angesteuert werden können und somit einen bidirektionalen Betrieb des Schrittmotors 2 ermöglichen. Hierzu weist jede der Ständerspulen 5 zwei Spannungsanschlüsse sowie einen Masseanschluss auf, wobei die beiden Spannungsanschlüsse über jeweils eine Diode 6 mit jeweils einer Motorleitung 7 verbunden sind, so dass die elektrische Ansteuerung des Schrittmotors 2 über insgesamt vier Motorleitungen 7 erfolgt.
Die Masseanschlüsse der beiden Ständerspulen 5 sind dagegen zusammengeführt und mit einer Masseleitung 8 bzw. 9 verbunden.
Darüber hinaus weist der Schrittmotor 2 vier Schaltelemente 10 auf, die jeweils in einem Schaltungszweig parallel zu den Ständerspulen 5 geschaltet sind, wobei die Schaltstellung der vier Schaltelemente 10 die Drehstellung des Schrittmotors 2 wiedergibt.
Zur Begrenzung der Freilaufströme durch die Schaltelemente 10, 13-16 und die Treiber T1-T4 sowie LS1 und LS2 sind Widerstände 11 vorgesehen, die in Reihe mit den Schaltelementen 10 geschaltet sind.
Darüber hinaus ist in den Schaltungszweigen der vier Schaltelemente 10 jeweils eine Diode 12 angeordnet, wobei die Dioden 6 in den Schaltungszweigen der Ständerspulen und die Dioden 12 in den Schaltungszweigen der Schaltelemente 10 umgekehrt zueinander gepolt sind, um die Schaltelemente 10 von den Ständerspulen 5 elektrisch zu entkoppeln.
Alternativ zu den Dioden 12 können auch relativ große ohmsche Widerstände in den einzelnen Schaltungszweigen der Schaltelemente 10 verwendet werden.
Im folgenden wird nun der schaltungstechnische Aufbau der Steuereinheit 1 beschrieben, welche die beiden Schrittmotoren 2, 3 über die Motorleitungen 7 elektrisch ansteuert.
Hierzu weist die Steuereinheit 1 vier High-Side-Transistoren T1-T4 auf, welche die einzelnen Motorleitungen 7 jeweils mit einer Versorgungsspannung U_BAT verbindet, so dass die einzelnen Motorleitungen 7 beim Durchschalten der zugehörigen Transistoren T1-T4 das Potential der Versorgungsspannung U_BAT annehmen. Die Ansteuerung der High-Side-Transistoren T1-T4 erfolgt in herkömmlicher Weise und ist deshalb hier nicht dargestellt.
Darüber hinaus sind die Masseleitungen 8 bzw. 9 der beiden Schrittmotoren 2 bzw. 3 in der Steuereinheit 1 durch jeweils einen Low-Side-Transistor LS1 bzw. LS2 mit Masse verbunden.
Ferner sind die Motorleitungen 7 in der Steuereinheit 1 durch jeweils eine Diode 13-16 mit Masse verbunden, wobei die Dioden 13-16 in Richtung Masse in Sperrrichtung gepolt sind.
Zur Abfrage der Schaltelemente 10 der Schrittmotoren 2 bzw. 3 sind die Motorleitungen 7 in der Steuereinheit 1 schließlich über jeweils einen Pull-Down-Widerstand 17 mit Masse verbunden.
Der Zustand der Motorleitungen 7 kann über einen nur schematisch dargestellten Mikrocomputer 18 abgefragt werden, dessen Eingänge mit den Motorleitungen 7 verbunden sind.
Schließlich weist die Steuereinheit 1 zwei High-Side-Transistoren T5, T6 auf, welche die Masseleitungen 8 bzw. 9 der Schrittmotoren 2 bzw. 3 mit der Versorgungsspannung U_BAT verbinden.
Im folgenden wird nun zunächst der Motorbetrieb der vorstehend beschriebenen Anordnung beschrieben, in dem die High- Side-Transistoren T5 und T6 sperrend geschaltet werden, um einen Stromfluss durch den Schaltungszweig der Schaltelemente 10 der Schrittmotoren 2 bzw. 3 zu verhindern.
Darüber hinaus ermöglichen die Low-Side-Transistoren LS1, LS2 eine Auswahl des anzusteuernden Schrittmotors 2 bzw. 3. Falls beispielsweise nur der Schrittmotor 2 elektrisch angesteuert werden soll, wohingegen der Schrittmotor 3 seine aktuelle Position beibehalten soll, so wird der Low-Side-Transistor LS1 leitend geschaltet, wohingegen der Low-Side-Transistor LS2 sperrend geschaltet wird.
Die High-Side-Transistoren T1-T4 werden dann entsprechend der gewünschten Drehstellung des Schrittmotors 2 leitend geschaltet, so dass die Versorgungsspannung U_BAT einen entsprechenden Strom durch die Schaltungszweige der Ständerspulen 5 treibt und den Läufer 4 des Schrittmotors 2 in die gewünschte Richtung dreht.
Nach der Beendigung des gewünschten Stellvorgangs werden die High-Side-Transistoren T1-T4 sowie der Low-Side-Transistor LS1 dann wieder sperrend geschaltet, woraufhin die Drehwinkelstellung des Schrittmotors abgefragt werden kann.
Hierzu wird der mit der Masseleitung 8 des Schrittmotors 2 verbundene High-Side-Transistor 5 leitend geschaltet, so dass ein Strom von der Versorgungsspannung U_BAT durch die Masseleitung 8, die Dioden 12, die Widerstände 11, die Schaltelemente 10, die Motorleitungen 7 und die Widerstände in der Steuereinheit 1 nach Masse fließen kann, wobei der während der Abfrage über die Motorleitungen 7 fließende Strom die Schaltstellung der Schaltelemente 10 des Schrittmotors 2 wiedergibt. Der an den Eingängen des Mikrocomputers 18 anliegende Spannungsabfall über den Pull-Down-Widerständen 17 gibt also unmittelbar den Schaltzustand der Schaltelemente 10 des Mikroprozessors 2 und damit dessen Drehwinkelstellung wieder.
Nach der Beendigung der vorstehend beschriebenen Abfrage wird der High-Side-Transistor T5 dann wieder sperrend geschaltet, so dass der Motorbetrieb in der vorstehend beschriebenen Weise wieder beginnen kann.
Bei einer Abfrage des anderen Schrittmotors 3 muss lediglich der High-Side-Transistor T6 anstelle des High-Side-Transistors T5 in der vorstehend beschriebenen Weise geschaltet werden.
Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen denkbar, die von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb ebenfalls in den Schutzbereich fallen.

Claims

1. Schrittmotor (2, 3), insbesondere zur Betätigung eines KFZ-Türschlosses, mit
mindestens einer Motorleitung (7) zur elektrischen Ansteuerung des Schrittmotors (2, 3) durch eine Steuereinheit (1), sowie
mindestens einem Schaltelement (10), dessen Schaltstellung durch die Stellung des Schrittmotors (2, 3) bestimmt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Schaltelement (10) mit der Motorleitung (7) verbunden ist, um der Steuereinheit (1) eine Rückmeldung über die Stellung des Schrittmotors (2, 3) zu geben.

2. Schrittmotor (2, 3) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens eine Ständerspule (5) mit einem mit Masse zu verbindenden Masseanschluss und mindestens einem mit der Motorleitung (7) verbundenen Spannungsanschluss.

3. Schrittmotor (2, 3) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ständerspule (5) für einen bidirektionalen Betrieb des Schrittmotors (2, 3) zwei Spannungsanschlüsse aufweist, die mit jeweils einer Motorleitung (7) verbunden sind.

4. Schrittmotor (2, 3) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (10) (10) zur Stellungsrückmeldung parallel zu der Ständerspule (5) geschaltet ist.

5. Schrittmotor (2, 3) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schaltungszweig der Ständerspule (5) und in dem Schaltungszweig des Schaltelements (10) jeweils mindestens eine Diode (6, 12) angeordnet ist, wobei die beiden Dioden (6, 12) umgekehrt zueinander gepolt sind, um das Schaltelement (10) von der Ständerspule (5) zu entkoppeln.

6. Schrittmotor (2, 3) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schaltungszweig der Ständerspule (5) und/oder in dem Schaltungszweig des Schaltelements (10) jeweils mindestens ein Widerstand (11) angeordnet ist, um das Schaltelement (10) von der Ständerspule (5) zu entkoppeln.

7. Schrittmotor (2, 3) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mehrere Ständerspulen (5) mit jeweils einem mit Masse zu verbindenden Maßeanschluss und jeweils zwei mit jeweils einer Motorleitung (7) verbundenen Spannungsanschlüssen für einen bidirektionalen Stellbetrieb, wobei für jede Ständerspule (5) jeweils zwischen dem Maßeanschluss und den beiden Spannungsanschlüssen jeweils zwei Schaltelemente (10) zur bidirektionalen Stellungsrückmeldung parallel geschaltet sind.

8. Steuereinheit (1) für einen Schrittmotor (2, 3), insbesondere für einen Schrittmotor (2, 3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit
mindestens einer Motorleitung (7) zur elektrischen Ansteuerung des Schrittmotors (2, 3),
einer Auswertungseinheit (18) zur Auswertung einer von dem Schrittmotor (2, 3) übertragenen Rückmeldung über die Stellung des Schrittmotors (2, 3),
dadurch gekennzeichnet,
dass die Auswertungseinheit (18) mit der Motorleitung (7) verbunden ist, um die Stellungsrückmeldung über die Motorleitung (7) zu empfangen.

9. Steuereinheit (1) nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine zusätzliche Steuerleitung (8, 9) zur Auswahl des Motorbetriebs oder der Stellungsrückmeldung, wobei die Steuerleitung (8, 9) durch jeweils ein Schaltelement (10) mit Masse und mit einer Betriebsspannung verbunden ist.

10. Steuereinheit (1) nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch mehrere zusätzliche Steuerleitungen (8, 9) zur Auswahl des Motorbetriebs oder der Stellungsrückmeldung für jeweils einen Schrittmotor (2, 3), wobei die Steuerleitungen (8, 9) jeweils durch jeweils ein Schaltelement (10) mit Masse und mit einer Betriebsspannung verbunden ist.

11. Steuereinheit (1) nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorleitung (7) durch ein Schaltelement (10) mit einer Betriebsspannung verbunden ist.

12. Steuereinheit (1) nach mindestens einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorleitung (7) über eine Diode (13-16) mit Masse verbunden ist, wobei die Diode (13-16) in Richtung Masse in Sperrrichtung gepolt ist.

13. Steuereinheit (1) nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorleitung (7) über einen Pull-Down-Widerstand (17) mit Masse verbunden ist.

14. Anordnung aus einer Steuereinheit (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 13 und einem Schrittmotor (2, 3) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.

15. Anordnung gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Schrittmotoren (2, 3) parallel zueinander an die Motorleitung (7) angeschlossen sind, wobei jeder der Schrittmotoren über jeweils eine Steuerleitung (8, 9) zur Auswahl des Motorbetriebs oder der Stellungsrückmeldung mit der Steuereinheit (1) verbunden ist.