DE102006021418B4

DE102006021418B4 - Verfahren zur Steuerung eines Schrittmotors und zum Erkennen einer Blockierung

Info

Publication number: DE102006021418B4
Application number: DE200610021418
Authority: DE
Inventors: Siegfried Möller; Martin Gundel
Original assignee: BDT AG
Current assignee: Maxim Integrated Products Inc
Priority date: 2006-05-05
Filing date: 2006-05-05
Publication date: 2012-05-24
Anticipated expiration: 2026-05-06
Also published as: DE102006021418A1

Abstract

Verfahren zum Erkennen, ob ein Schrittmotor einen durch Beaufschlagen mit einem maximalen Betriebsstrom (In, I+, I–) angesteuerten Schritt noch ausführt oder blockiert, wobei im Betrieb eine Bewertung der Betriebsstromanstiegszeit (t2S, t2L), welche vom Zeitpunkt der Umpolung mindestens einer Motorwicklung bis zum Erreichen des maximalen Betriebsstroms (In, I+, I–) in der mindestens einen Motorwicklung gemessen wird, erfolgt und ein Blockieren erkannt wird, wenn die Betriebsstromanstiegszeit (t2S, t2L) eine Vergleichszeit (tX) unterschreitet, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Kalibriermessung im Stillstand des Schrittmotors eine Stromanstiegszeit (t2k) in mindestens einer Motorwicklung bei Bestromung mit dem realen maximalen Betriebsstrom (In, I+, I–) gemessen und daraus die Vergleichszeit (tX) für den Betrieb des Schrittmotors bestimmt wird, und dass die Stromanstiegszeit (t2k) in der Kalibriermessung von einem Ausgangsstrom von null Ampere zu Beginn der Kalibriermessung bis zum Erreichen des von einer Treiberschaltung vorgegebenen maximalen Betriebsstroms (In) gemessen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen, ob ein Schrittmotor einen durch Beaufschlagen mit einem maximalen Betriebsstrom angesteuerten Schritt noch ausführt oder blockiert, wobei eine Bewertung der Betriebsstromanstiegszeit bis zum Erreichen des maximalen Betriebsstroms in mindestens einer Motorwicklung erfolgt und ein Blockieren erkannt wird, wenn die Betriebsstromanstiegszeit eine Vergleichszeit unter schreitet.
Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung mit mindestens einem Schrittmotor, der antreibend mit mindestens einem Element verbunden ist, wobei mindestens ein eine Grundposition definierender harter Stopp für das Element vorgesehen ist, und wobei der Schrittmotor blockiert, wenn das Element von dem Schrittmotor gegen den harten Stopp bewegt wird, und wobei eine Treiberschaltung zur Beaufschlagung mindestens einer Wicklung des Schrittmotors mit einem maximalen Betriebsstrom vorgesehen ist, und dass eine Logikeinheit vorgesehen ist, mit der feststellbar ist, ob der Schrittmotor einen durch Beaufschlagen mit dem maximalen Betriebsstrom angesteuerten Schritt noch ausführt oder blockiert, wobei die Logikeinheit eine Bewertung der mit einer Messeinrichtung gemessenen Betriebsstromanstiegszeit in mindestens einer Motorwicklung durchführend ausgebildet ist, und wobei die Logikeinheit ein Blockieren erkennt, wenn die Betriebsstromanstiegszeit eine Vergleichszeit unterschreitet.
Die DE 296 09 570 U1 beschreibt ein Verfahren zur dauerhaften Überwachung eines Synchronmotors, mit dem festgestellt werden soll, ob ein Schrittverlust bzw. ein Außertrittfallens des Rotors eingetreten ist. Hierzu wird eine Zeit bis zum Erreichen einer Referenzspannung gemessen, wobei diese Zeit mit einer vorherigen, während des Betriebs ermittelten Zeit verglichen wird.
Die US 2005/0140327 A1 beschreibt ein Verfahren, bei welchem die einem Vergleich zugrundeliegenden Vergleichsparameter empirisch ermittelt werden.
Die DE 44 19 813 A1 beschreibt ein Verfahren, wie das Blockieren eines Elektromotors, der sowohl als Gleichstrommotor oder als Schrittmotor ausgeführt sein kann, erfasst werden kann. Zur Erkennung, ob der Elektromotor die angesteuerte Bewegung noch ausführen kann oder blockiert ist, werden der Stromverlauf allgemein und die Stromanstiegzeit als Parameter herangezogen, die als Kenngrößensignal mit einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen werden. Der Schwellenwert kann dabei nachführbar ausgestaltet werden.
Aus der US 5 012 168 A ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein Spitzenstromwert als ein Durchschnittswert aus einer Vielfalt von ermittelten Spitzenstromwerten unmittelbar nach dem Einschalten des Elektromotors definiert wird. Dabei wird die Ermittlung des Spitzenstromwertes und das Definieren eines Stromreferenzwertes auf den Spitzenstromwerten jedes Mal unmittelbar nach dem Einschalten des Elektromotors durchgeführt. Die Druckschrift beschäftigt sich also mit der Messung von Spitzenstromwerten während des Laufes des Elektromotors.
Aus der EP 0 131 772 A1 ist es bekannt, die Betriebsstromanstiegszeit in den Wicklungen eines Schrittmotors zu messen und den gemessenen Wert mit einem vorgegebenen, fixen Wert zu vergleichen. Ist die gemessene Betriebsstromanstiegszeit länger als die vorgegebene, fixe Vergleichszeit, wird daraus geschlossen, dass der Schrittmotor die angesteuerten Schritte ausführt. Ist dagegen die gemessene Betriebsstromanstiegszeit kürzer als die vorgegebene, fixe Vergleichszeit, wird auf ein Blockieren des Schrittmotors geschlossen und der Schrittmotor wird angehalten. Nachteilig bei dem bekannten Verfahren ist es, dass die vorgegebene, fixe Vergleichszeit nur für sehr enge Toleranzen der Betriebsspannung des Schrittmotors, für sehr enge Toleranzen des von einer Treiberschaltung bereitgestellten Betriebsstroms des Schrittmotors und für sehr enge Toleranzen der Wicklungsinduktivitäten festlegbar ist. In vielen Anwendungsfällen treten jedoch Toleranzen von jeweils bis etwa 10% für die Betriebsspannung, den Betriebsstrom und die Wicklungsinduktivitäten auf. Für das sich hieraus ergebende Gesamttoleranzfeld lässt sich nur schwer eine vorgegebene, fixe Vergleichszeit definieren, die als eindeutiges Kriterium genutzt werden kann, ob der Schrittmotor die angesteuerten Schritte noch ausführt oder nicht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzuschlagen, mit denen unabhängig von etwaigen Bauteiltoleranzen oder zeitabhängigen Schwankungen der Betriebsspannung oder des Betriebsstroms eine exakte Aussage darüber getroffen werden kann, ob der Schrittmotor einen angesteuerten Schritt noch ausführt oder blockiert ist.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass eine Stromanstiegszeit in mindestens einer Motorwicklung bei Bestromung mit dem maximalen Betriebsstrom gemessen und daraus die Vergleichszeit bestimmt wird.
Ferner wird diese Aufgabe bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass eine Stromanstiegszeit in mindestens einer Motorwicklung bei Bestromung mit dem maximalen Betriebsstrom messbar und daraus die Vergleichszeit von der Logikeinheit bestimmbar ist.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, der Bewertung der gemessenen Betriebsstromanstiegszeit keine vorgegebene, feste Vergleichszeit zugrunde zu legen, sondern die Vergleichszeit in einem Kalibrierverfahren individuell für jeden Schrittmotor bzw. die den Schrittmotor beinhaltende Vorrichtung zu bestimmen. Beispielsweise ist es denkbar, das erfindungsgemäße Kalibrierverfahren nach jedem Start der den Schrittmotor enthaltenen Vorrichtung oder nach jedem Reset der Vorrichtung durchzuführen. Hierdurch können auch zeitabhängige, beispielsweise luftfeuchtigkeitsbedingte Schwankungen der Betriebsspannung, des Betriebsstroms oder der Wicklungsinduktivitäten bei der Bestimmung der Vergleichszeit berücksichtigt werden.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zur Bestimmung der Vergleichszeit eine Stromanstiegszeit in mindestens einer Motorwicklung bei der Bestromung mit dem Betriebsstrom gemessen wird. Wesentlich ist, dass hierbei der reale, aktuelle Betriebsstrom und die reale, aktuelle Betriebsspannung zur Anwendung kommen. Es wird also die Zeit gemessen, die benötigt wird, bis der maximale Betriebsstrom, also der reale Wert der Strombegrenzung durch die Treiberschaltung, unter realen Bedingungen erreicht wird. Auf Basis dieser gemessenen Stromanstiegszeit wird dann die Vergleichszeit bestimmt, die der Bewertung der Betriebsstromanstiegszeit während einer normalen Ansteuerung des Schrittmotors zugrunde liegt. Es wird also ein Normativ für die Vergleichszeit ermittelt. Damit die Vergleichszeit korrekt ermittelt werden kann, muss sichergestellt sein, dass das Kalibrierverfahren bzw. die Messung der Stromanstiegszeit zur Bestimmung der Vergleichszeit in einer Ausgangsposition des Schrittmotors begonnen wird, von der aus der Rotor des Schrittmotors bei der Bestromung mit dem realen Betriebsstrom mindestens die durch die Bestromung verursachte, vorzugsweise minimale, Drehbewegung ausführen kann, ohne dass der Motor dabei blockiert wird. Anders ausgedrückt, darf ein von dem Schrittmotor bewegtes Element während des Kalibriervorganges nicht gegen einen harten Stopp laufen, da man hierdurch ein unbrauchbares Messergebnis erhalten würde. Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl bei einem Rotor-Stator-Schrittmotor als auch bei einem Linear-Schrittmotor angewandt werden, wobei die Motoren uni- oder bipolar ausgeführt sein können.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
In Ausgestaltung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Messung der Stromanstiegszeit zur Ermittlung der Vergleichszeit ohne Stromrichtungsumkehr erfolgt. Dies bedeutet, dass die Wicklung, in der die Messung durchgeführt wird, während der Messung nicht umgepolt wird. Auf Basis der gemessenen Stromanstiegszeit kann die der Bewertung der Betriebsstromanstiegszeit zugrunde liegende Vergleichszeit ermittelt werden.
Bevorzugt wird die Stromanstiegszeit ausgehend von null Ampere zu Beginn der Messung in der Ausgangsposition des Rotors bis zum Erreichen des maximalen Betriebsstroms, also dem realen Wert der Strombegrenzung durch die Treiberschaltung gemessen. Die Messung erfolgt also ausgehend vom Stillstand des Motors bis zum Erreichen des von der Treiberschaltung vorgegebenen maximalen Betriebsstroms.
In Ausgestaltung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Betriebsstromanstiegszeit bei einem bipolaren Schrittmotor während des normalen Betriebs des Schrittmotors vom Zeitpunkt der Umpolung der Motorwicklung bis zum Erreichen des maximalen Betriebsstroms gemessen wird. Die Betriebsstromanstiegszeit wird demnach von einem maximalen Betriebsstrom in negativer Richtung bis zum Erreichen eines maximalen Betriebsstroms in positiver Richtung, bzw. umgekehrt, gemessen. Diese Betriebsstromanstiegszeit wird dann mit der Vergleichszeit verglichen, die auf Basis der während der Kalibrierung gemessenen Stromanstiegszeit bestimmt wurde.
Wie zu Beginn bereits ausgeführt, ist es von Vorteil, dass das Kalibrierverfahren beispielsweise nach jedem Einschalten einer den Schrittmotor enthaltenden Vorrichtung durchgeführt wird. Zusätzlich oder alternativ kann das Kalibrierverfahren auch nach einer vorbestimmten Anzahl von Schrittmotoransteuerungen durchgeführt werden. Hierdurch können verbessert sich zeitlich ändernde Einflüsse auf die Betriebsspannung, den Betriebsstrom und die Wicklungsinduktivitäten bei der Bewertung der Betriebsstromanstiegszeit berücksichtigt werden.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Messung der Stromanstiegszeit in einer Ausgangsposition des Rotors des Schrittmotors gestartet wird, ausgehend von der der Schrittmotor bei der Bestromung mit dem Betriebsstrom in seiner Laufeigenschaft nicht begrenzt ist. Dies bedeutet, dass der Rotor sich bei der Bestromung mit dem realen, aktuellen Betriebsstrom zur Messung der Stromanstiegszeit während des Kalibrierverfahrens ungestört bewegen können muss. Im Optimalfall wird die Ausgangsposition so gewählt, dass sich der Rotor bei der Bestromung zur Messung der Stromanstiegszeit nur minimal bewegen muss, damit die Pole von Rotor und Stator sich exakt gegenüberstehen. Wesentlich ist, dass der Rotor bei der Ausführung seiner Bewegung während er Stromanstiegszeitmessung nicht blockiert wird.
Bevorzugt entspricht die Ausgangsposition des Rotors des Schrittmotors, in der die Messung der Stromanstiegszeit gestartet wird, zumindest näherungsweise der Position, die sich einstellt, wenn die Motorwicklungen, in denen die Stromanstiegszeit gemessen wird, bestromt werden. In dieser Position stehen sich der mindestens eine Rotor- und Statorpol der Motorwicklung, in der die Stromanstiegszeit gemessen wird, optimal, d. h. nahezu exakt gegenüber. Optimal bedeutet in diesem Fall, dass sich die Pole der Motorwicklung, in der die Stromanstiegszeit gemessen wird, so exakt wie möglich gegenüberstehen.
Für den Fall, dass die Anzahl der Schritte, die der Schrittmotor von einer Endposition zur anderen Endposition ausführen kann, ohne blockiert zu werden, bekannt ist, kann die Ausgangsposition des Schrittmotors, in der die Messung der Stromanstiegszeit beginnt, gefunden werden, indem der Schrittmotor zunächst mit einer Anzahl von n-Schritten in eine beliebige Richtung bewegt wird und daraufhin in umgekehrter Richtung bewegt wird, wobei die Anzahl der Schritte in umgekehrter Richtung kleiner sein muss als die zuvor ausgeführten Schritte und auch kleiner sein muss als die maximal mögliche Schrittzahl zwischen den Endpositionen.
Ist die maximale Anzahl der möglichen Schritte zwischen den Endpositionen nicht bekannt, so muss der Schrittmotor mindestens dreimal in abwechselnde Bewegungsrichtungen angesteuert werden, wobei die Schrittzahl der zweiten Ansteuerung gleich oder kleiner ist der Schrittzahl der ersten Ansteuerung und die letzte Ansteuerung mit einer kleineren Schrittzahl erfolgt, als jede der beiden vorherigen Ansteuerungen. In der so erzielten Ausgangsposition kann der Schrittmotor in jede Bewegungsrichtung mindestens einen Schritt ausführen, ohne blockiert zu werden.
In Ausgestaltung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Vergleichszeit durch Multiplikation der Stromanstiegszeit mit einem Faktor bestimmt wird. Dies ist insbesondere dann notwendig, wenn die Betriebsstromanstiegszeit bei einem bipolaren Schrittmotor von einem maximalen Betriebsstrom in negativer Richtung bis zum Erreichen eines maximalen Betriebsstroms in positiver Richtung bzw. umgekehrt, gemessen wird, also die Messung vom Zeitpunkt der Umpolung der Wicklung an bis zum Erreichen des maximalen Betriebsstroms erfolgt, dagegen aber die Stromanstiegszeit ausgehend vom Stillstand des Schrittmotors gemessen wird.
Es hat sich gezeigt, dass der Faktor mit Vorteil aus einem Bereich zwischen 2 und 4, insbesondere zwischen etwa 2,5 und etwa 3,5 gewählt wird. Bevorzugt beträgt der Faktor etwa 3.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst mindestens ein von dem Schrittmotor angetriebenes Element, wobei dem Element mindestens ein harter Stopp zugeordnet ist, bei dessen Erreichen das Element nicht weiterbewegt werden kann und somit der Schrittmotor blockiert. Die Vorrichtung umfasst eine Messeinrichtung zur Messung der Betriebsstromanstiegszeit, also der Zeit bis zum Erreichen des von einer Treiberschaltung zur Verfügung gestellten maximalen Betriebsstroms. Mittels der genannten Messeinrichtung oder einer zusätzlichen Messeinrichtung ist erfindungsgemäß die Stromanstiegszeit in mindestens einer Motorwicklung bei Bestromung mit dem realen, aktuellen Betriebsstrom messbar, wobei aus der gemessenen Stromanstiegszeit mittels einer Logikeinheit eine Vergleichszeit ermittelbar ist, die der Bewertung der Betriebsstromanstiegszeit während des Betriebs des Schrittmotors zugrunde gelegt wird. In Weiterbildung erfolgt die Ermittlung der Vergleichszeit mittels der Logikeinheit durch Multiplikation der gemessenen, in einem Speicher abgelegten Stromanstiegszeit mit einem vorgegebenen Faktor.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich insbesondere zum Einsatz in Büromaschinen, bevorzugt zur Ausrichtung von in einem Stapel abgelegten Belegen mittels des von dem Schrittmotor angetriebenen Elementes. Ferner findet die Vorrichtung erfindungsgemäß Verwendung in einer Robotik- bzw. Handhabungseinrichtung, insbesondere zur Handhabung von Datenträgern in einer Datenträgerbibliothek. In einer derartigen Bibliothek gibt es vielfältige Transport und Positionierungsaufgaben, die von Schrittmotoren ausgeführt werden. Mittels der Vorrichtung ist es möglich zu detektieren, ob das bewegte Element die Grundposition durch Anlage an dem harten Stopp erreicht hat oder nicht.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Diese soll die Ausführungsbeispiele nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Ausführungsform oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu den in den Ansprüchen beanspruchten Gegensand. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein.
Die Zeichnung zeigt in:
1: eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Ausrichtung von in einem Stapel abgelegten Belegen;
2A: ein Diagramm, aus dem der Einfluss der Toleranzen der Betriebsspannung auf die Betriebsstromanstiegszeit ersichtlich ist;
2B: ein Diagramm, aus dem der Einfluss der Toleranzen des von einer Treiberschaltung bereit-gestellten Betriebsstroms auf die Betriebsstromanstiegszeit ersichtlich ist;
2C: ein Diagramm, aus dem der Einfluss der Toleranzen der Wicklungsinduktivitäten auf die Betriebsstromanstiegszeit ersichtlich ist;
3A: ein Diagramm, aus dem der Verlauf des Betriebsstroms über die Zeit während des Kalibrierverfahrens sowie das zugehörige logische Signal von Beginn der Messung bis zum Erreichen des maximalen Betriebsstroms ersichtlich ist;
3B: ein Diagramm, aus den Verlauf des Betriebsstroms über die Zeit bei einem laufenden Schrittmotor sowie das die Betriebsstromanstiegszeit repräsentierende logische Signal in Bezug auf die Vergleichszeit ersichtlich ist;
3C: ein Diagramm, aus dem der Verlauf des Betriebsstroms eines blockierten Schrittmotors über die Zeit sowie das die Betriebsstromanstiegszeit repräsentierende logische Signal in Bezug auf die Vergleichszeit ersichtlich ist, und
4: eine schematische Darstellung der Steuerabläufe eines Schrittmotors zum Auffinden der optimalen Ausgangsposition für das Kalibrierverfahren.
In 1 ist ein schematischer Aufbau einer Ausrichteinheit einer Büromaschine, insbesondere eines Kopierers oder eines Druckers dargestellt. Mittels der Ausrichteinheit werden bedruckte Belege von einem Kopierer oder Drucker übernommen und auf einem Ablagetisch TS in einem Belegstapel BST angesammelt und ausgerichtet. Zur Ausrichtung des Belegstapels dienen ein linkes und ein rechtes Ausrichtelement AEL, AER, die auf einem Führungselement FE bewegbar angeordnet sind. Die Ausrichtelemente AEL, AER werden von einem nicht dargestellten Schrittmotor angetrieben. Dabei kann ein gemeinsamer Schrittmotor für beide Ansteuerelemente AEL und AER oder jeweils ein separater Schrittmotor vorgesehen werden. Die mit PLO und PRO bezeichneten äußeren Positionen stellen die Grundpositionen der Ausrichtelemente AEL und AER dar. Aufgrund der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens können Sensoren zur Detektierung dieser Grundpositionen mit Vorteil entfallen. Die Grundpositionen PLO und PRO werden definiert von harten Stopps (HSL und HSR). Diese stellen linke und rechte Bewegungsbegrenzungen für die Ausrichtelemente AEL und AER dar. Die Grundposition des linken Ausrichtelementes AEL wird gefunden, indem das linke Ausrichtelement AEL aus einer beliebigen Position gegen den linken harten Stopp HSL gefahren wird. Analog wird die Grundposition PRO des rechten Ausrichtelementes AER gefunden, indem das rechte Ausrichtelement AER gegen den rechten harten Stopp HSR gefahren wird. Wenn die Ausrichtelemente AEL und AER gegen die zugehörigen harten Stopps HSL und HSR gefahren werden, wird der Schrittmotor blockiert. Dieses Blockieren kann zuverlässig mit dem erfindungsgemäßen Verfahren detektiert werden. Zum Ausrichten der Belege auf dem Belegstapel BST werden die Ausrichtelemente AEL und AER, ausgehend von ihrer jeweiligen Grundposition PLO und PRO in die mit PSL und PSR gekennzeichneten Positionen seitlich des Belegstapels BST verfahren.
Zur Detektierung der Grundpositionen PRO und PLO wird die Betriebsstromanstiegszeit während des Betriebs der Ausrichteinrichtung in mindestens einer Wicklung des Schrittmotors bewertet. Erfindungsgemäß wird diese mit einer Vergleichszeit verglichen, wobei die Vergleichszeit mittels eines Kalibrierverfahrens individuell für die gezeigte Vorrichtung zu einem beliebigen, frei wählbaren Zeitpunkt bestimmt wird. Bevorzugt wird die Vergleichszeit nach jedem Anschalten der Vorrichtung, also bevorzugt jeden Tag mindestens einmal ermittelt. Überschreitet die Betriebsstromanstiegszeit die Vergleichszeit, wird auf ein Blockieren des Schrittmotors und damit auf das Erreichen der Grundpositionen PRO und PLO geschlossen und der Schrittmotor wird angehalten. Eine mechanische Belastung der Bauteile der Vorrichtung sowie eine Geräuschentwicklung, die aus dem Ausführen von vielen Schritten gegen die harten Stopps resultieren würden, werden mit Vorteil vermieden. Die Vergleichszeit wird erfindungsgemäß ermittelt, indem die Stromanstiegszeit in mindestens einer Wicklung gemessen wird. Mit Vorteil erfolgt die Messung der Stromanstiegszeit ausgehend von einem Anfangsstrom von null Ampere bis zum Erreichen des realen, aktuellen und maximalen Betriebsstroms in mindestens einer Wicklung des Schrittmotors. Mit Vorteil befindet sich der Schrittmotor dabei zu Beginn der Messung des Stromanstiegszeit zur Bestimmung der Vergleichszeit in einer Ausgangsposition, bevorzugt einer Ruheposition, in der sich der Rotor beim Anlegen des Betriebsstroms nicht bzw. minimal bewegt. Es muss sichergestellt sein, dass der Schrittmotor diese minimale Bewegung ausführen kann, ohne blockiert zu werden, d. h., ohne dass eines der Ausrichtelemente AEL oder AER gegen den entsprechenden harten Stopp HSL oder HSR fährt. Bevorzugt erfolgt die Ermittlung der Vergleichszeit durch Multiplikation der gemessenen Stromanstiegszeit in dem Kalibrierschritt mit einem vorbestimmten Faktor.
In den 2A bis 2C sind die Haupteinflüsse auf die Stromanstiegszeit in Diagrammen gezeigt. Dabei werden die Wicklungen, wie bei der Messung der Stromanstiegszeit während des Kalibrierschrittes, ausgehend von einem stromlosen Zustand mit Betriebsstrom beaufschlagt. Hierbei stellt das Signal AS ein logisches Ansteuersignal dar, das den Beginn des Stromflusses von der Treiberschaltung in Richtung Schrittmotor definiert. Das Signal Imot. stellt den sich ergebenden Verlauf des Betriebsstromes in den Motorwicklungen dar. Das Signal tan zeigt die Stromanstiegszeit unter Berücksichtigung der Toleranzen des Betriebsstromverlaufes.
In 2A sind die Toleranzeinflüsse auf die Stromanstiegszeit dargestellt, wenn der Schrittmotor mit einem nominalen Betriebsstrom In betrieben wird und die Betriebsspannungen für die Motorwicklungen um die nominale Betriebsspannung Un in einem Bereich von U+ bis U– variiert. Die mit IUn gekennzeichnete Kurve stellt den Verlauf des Stromanstiegs dar, wenn der Schrittmotor mit der nominalen Betriebsspannung Un betrieben wird. Das logische Signal tan beginnt für diesen Fall zum Zeitpunkt Null und endet zum Zeitpunkt t2Un. Ist die Betriebsspannung größer als die nominale Betriebsspannung Un, z. B. U+, so ergibt sich ein Verlauf des Betriebsstroms entsprechend der Kurve UU+ und das logische Signal t2Un endet bereits zum Zeitpunkt t2U+. Wird der Schrittmotor mit einer Betriebsspannung betrieben, die niedriger ist als die nominale Betriebsspannung Un, z. B. U–, dann ergibt sich ein Verlauf des Betriebsstroms entsprechend der Kurve IU–. Schwankt die Betriebsspannung in einem Bereich von U+ bis U–, so kann die Stromanstiegszeit um den Betrag t2U– abzüglich t2U+ variieren. Aus 2A ist zu erkennen, dass bereits kleine Schwankungen in der Betriebsspannung große Auswirkungen auf die Stromanstiegszeit während der Kalibrierung und somit auch auf die Betriebsstromanstiegszeit während des normalen Betriebs des Schrittmotors haben.
In 2B ist der Einfluss von unterschiedlichen maximalen Betriebsströmen I+, In, I– auf die Stromanstiegszeit dargestellt. Die Variation des maximalen Betriebsstroms I+, In, I– ist beispielsweise auf Toleranzen der Bauelemente der Treiberschaltung zurückzuführen. Der Verlauf der Kurve In zeigt den Stromanstieg, der sich ergibt, wenn der nominale maximale Betriebsstrom In von der Treiberschaltung erreicht wird. Das logische Signal tan beginnt in diesem Fall zum Zeitpunkt Null und endet zum Zeitpunkt t2In. Wird von der Treiberschaltung nur ein maximaler Betriebsstrom I– realisiert, so endet das logische Signal tan bereits zum Zeitpunkt t2I–. Realisiert die Treiberschaltung einen maximalen Betriebsstrom I+, so endet das logische Signal tan erst zum Zeitpunkt t2I+. Bei einer Variation des maximalen Betriebsstroms zwischen den maximalen Betriebsströmen I+ und I– kann die Stromanstiegszeit um einen Betrag t2I+ abzüglich t2I– variieren.
In 2C sind die Toleranzeinflüsse von unterschiedlichen Wicklungsinduktivitäten L+, Ln, L–, die von Schrittmotor zu Schrittmotor variieren können, auf die Stromanstiegszeit dargestellt. Dabei wird der Schrittmotor mit einem nominalen maximalen Betriebsstrom In und einer nominalen Betriebsspannung Un betrieben. Die Kurve ILn zeigt den Verlauf des Betriebsstroms in der Motorwicklung, der sich bei einem Nominalwert der Wicklungsinduktivität Ln ergibt. Das logische Signal tan beginnt zum Zeitpunkt Null und endet zum Zeitpunkt t2Ln. Die Kurve IL– zeigt den Verlauf des Betriebsstroms, wenn die Wicklungsinduktivität den minimalen Wert L– aufweist. Das logische Signal tan endet dann bereits zum Zeitpunkt t2L–. Die Kurve IL+ zeigt den Verlauf des Betriebsstroms über die Zeit, für den Fall, dass die Wicklungsinduktivität den maximalen Wert L+ hat. Das logische Signal tan endet dann erst zum Zeitpunkt t2L+. Durch eine Variation der Induktivitäten der Wicklungen eines Schrittmotors zwischen den Werten L+ und L– kann die Stromanstiegszeit um den Betrag t2L+ abzüglich t2L– variieren.
In der Realität sind sämtliche in den 2A bis 2C dargestellten Einflüsse auf die Stromanstiegszeit während der Kalibrierung und somit auch auf die Betriebsstromanstiegszeit während des normalen Betriebs gleichzeitig wirksam. Die Toleranzen der Stromanstiegszeiten bzw. der Betriebsstromanstiegszeiten können in weiten Bereichen variieren. Aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die gezeigten realen Einflüsse bei der Ermittlung der Vergleichszeit berücksichtigt.
In 3A ist der Betriebsstromverlauf beim Kalibriervorgang dargestellt. Das Ansteuersignal AS ist dabei das Signal, das den Stromfluss in der Motorwicklung bewirkt. Das Signal tan spiegelt die Stromanstiegszeit bis zum Erreichen des maximalen Betriebsstroms In dar. Die Stromanstiegszeit beginnt zum Zeitpunkt Null bei einer stromlosen Wicklung und endet zum Zeitpunkt t2k beim Erreichen des maximalen Betriebsstromes In.
Die in dem dargestellten Messvorgang ermittelte Stromanstiegszeit t2k wird mit einem definierten Faktor multipliziert und so die Vergleichszeit tx (siehe 3B und 3C) ermittelt. Die Vergleichszeit tx dient als Kriterium, um zu entscheiden, ob der Schrittmotor im Lauf die angesteuerten Schritte noch ausführt oder nicht. Im konkreten Fall wurde die Stromanstiegszeit t2k mit dem Faktor 3 multipliziert, so dass sich eine Vergleichszeit tx von 3 × t2k ergibt.
In 3B ist der Betriebsstromverlauf Imot. und das sich ergebende logische Signal tan, das die Betriebsstromanstiegszeit kennzeichnet, für den Fall dargestellt, dass der Schrittmotor die angesteuerten Schritte noch ausführen kann. Das Signal PH ist das Signal, das die Stromrichtung in der Motorwicklung bestimmt. Das logische Signal tan beginnt beim maximalen Betriebsstrom –In in negativer Richtung bzw. bei dem Stromwechsel in die positive Richtung durch Umpolung der Wicklung und endet zum Zeitpunkt t2L bei Erreichen des positiven maximalen Betriebsstroms +In. Die Betriebsstromanstiegszeit t2L ist dabei deutlich länger als die Vergleichszeit tx(3 × t2k), die dem 3-fachen Wert der Stromanstiegszeit t2k entspricht.
In 3C ist der Betriebsstromverlauf IS und das Signal tan für den Fall dargestellt, dass der Schrittmotor die angesteuerten Schritte nicht ausführen kann, also die Ausrichtelemente AEL und AER, bzw. eines der Ausrichtelemente AEL bzw. AER, an einem harten Stopp HSL oder HSR anliegen. Die Messung der Betriebsstromanstiegszeit beginnt wieder zum Zeitpunkt der Umpolung der Wicklung bzw. der Wicklungen, in denen die Betriebsstromanstiegszeit gemessen wird und endet beim Erreichen des maximalen positiven Betriebsstroms +In zum Zeitpunkt t2S. Die Stromanstiegszeit t2S ist dabei deutlich kürzer als die Vergleichszeit tx, die dem 3-fachen Wert der Stromanstiegszeit t2k entspricht.
Durch das dargestellte Kalibrierverfahren zur Bestimmung der Vergleichszeit tx in Abhängigkeit der Stromanstiegszeit t2k ist es möglich, die wirksamen Toleranzen der Betriebsspannung für den Schrittmotor, die Toleranzen der möglichen maximalen Betriebsströme und die Toleranzen der Induktivitäten von Schrittmotor zu Schrittmotor so zu berücksichtigen, so dass sich ein eindeutiges Kriterium für die Bewertung der Betriebsstromanstiegszeit ergibt, das zur Entscheidung genutzt werden kann, ob der Schrittmotor die angesteuerten Schritte noch ausführen kann oder bereits blockiert ist. Die Messung der Stromanstiegszeit bzw. der Betriebsstromanstiegszeit kann in allen Wicklungen des Schrittmotors oder nur in ausgewählten Wicklungen oder nur in einer Wicklung erfolgen.
Mit dem beschriebenen Verfahren ist es unter Berücksichtigung der real existierenden Toleranzen möglich, die Ausrichtelemente AEL und AER so gegen die harten Stopps HSL und HSR zu steuern und sofort in den Grundpositionen PL0 und PR0 zu stoppen, ohne dass eine Vielzahl von Schritten gegen die harten Stopps HSL und HSR angesteuert werden können, wodurch die Geräuschentwicklung sowie die mechanische Belastung des Schrittmotors und der Antriebselemente reduziert werden.
Die Kalibrierung wird bevorzugt in einer Ausgangsposition des Schrittmotors gestartet, in der sich die Pole im Schrittmotor optimal gegenüberstehen. Da ein exaktes Gegenüberstehen der Pole von Rotor und Stator im nicht bestromten Zustand in der Praxis nicht realisierbar ist, ist mit optimalem Gegenüberstehen die Position gemeint, in der der Motor bei Bestromung nur einen minimalen Weg zurücklegt. Anders ausgedrückt, stehen sich die Pole quasi exakt gegenüber.
In 4 sind die Positionierabläufe dargestellt, die sicherstellen, dass sich der Schrittmotor in einer Ausgangsposition befindet, die ausschließt, dass sich der Schrittmotor während des Messvorganges der Stromanstiegszeit nicht in einer Position befindet, in der sich die Pole des Rotors und des Stators nicht optimal gegenüberstehen. Es wird eine Ausgangsposition eingestellt, die sicherstellt, dass der Rotor die minimale Bewegung, die er bei der Messung der Stromanstiegszeit ausführt, ungehindert und ohne blockiert zu werden ausführen kann. Das in 4 dargestellte Prinzip eignet sich insbesondere für den Anwendungsfall, bei dem die exakte Position des Schrittmotors nicht bekannt ist und auch die maximal mögliche Schrittzahl des Motors zwischen seinen Endpositionen unbekannt ist.
Um die Ausgangsposition zu finden, wird das zu bewegende Ausrichtelement aus einer beliebigen Position Px durch eine erste Positionierung KL1 mit der Schrittzahl n in Richtung des harten Stopps HS in die Position P + ns gesteuert. Die Schrittzahl n sollte dabei kleiner sein als die maximale Schrittzahl, die durch das Ausrichtelement zwischen den Bewegungsbegrenzungen ausführbar ist. Unabhängig davon, ob der Schrittmotor die angesteuerten Schritte ausführen konnte oder nicht, wird das Ausrichtelement durch einen zweiten Positioniervorgang KL2 in die Gegenrichtung mit einer Schrittzahl –(n – a) in die Position P – (n – a) gesteuert. Die Anzahl der Schritte (n – a) ist dabei kleiner als n-Schritte. In einem dritten Positioniervorgang KL3 wird das Ausrichtelement aus der Position P – (n – a) mit einer Schrittzahl (n – a – b) wieder in Richtung des harten Stopps HS in die Position P + (n – a – b) gesteuert. Die Schrittzahl (n – a – b) ist dabei kleiner als die Schrittzahl (n – a). In der Position P + (n – a – b) ist gewährleistet, dass das Ausrichtelement die optimale Ausgangsposition für die Kalibrierung eingenommen hat und nicht an dem harten Stopp HS stehen kann. In der Ausgangsposition P + (n – a – b) des Schrittmotors, bei der sich die Pole des Rotors und des Stators optimal gegenüberstehen, wird die Wicklung des Schrittmotors, die zur Position P + (n – a – b) geführt hat, so eingeschaltet, dass der Stromfluss beim Stromwert Null beginnt und beim realen maximalen Betriebsstrom der Treiberschaltung begrenzt wird. Die hierzu benötigte Stromanstiegszeit t2k ergibt sich dann unter dem Einfluss der gegenwärtig anliegenden Betriebsspannung, des aktuellen maximalen Betriebsstroms der Treiberschaltung und des Wertes der Induktivität der Motorwicklung.

Claims

Verfahren zum Erkennen, ob ein Schrittmotor einen durch Beaufschlagen mit einem maximalen Betriebsstrom (I_n, I₊, I_–) angesteuerten Schritt noch ausführt oder blockiert, wobei im Betrieb eine Bewertung der Betriebsstromanstiegszeit (t_2S, t_2L), welche vom Zeitpunkt der Umpolung mindestens einer Motorwicklung bis zum Erreichen des maximalen Betriebsstroms (I_n, I₊, I_–) in der mindestens einen Motorwicklung gemessen wird, erfolgt und ein Blockieren erkannt wird, wenn die Betriebsstromanstiegszeit (t_2S, t_2L) eine Vergleichszeit (t_X) unterschreitet, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Kalibriermessung im Stillstand des Schrittmotors eine Stromanstiegszeit (t_2k) in mindestens einer Motorwicklung bei Bestromung mit dem realen maximalen Betriebsstrom (I_n, I₊, I_–) gemessen und daraus die Vergleichszeit (t_X) für den Betrieb des Schrittmotors bestimmt wird, und dass die Stromanstiegszeit (t₂k) in der Kalibriermessung von einem Ausgangsstrom von null Ampere zu Beginn der Kalibriermessung bis zum Erreichen des von einer Treiberschaltung vorgegebenen maximalen Betriebsstroms (I_n) gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, die Messung der Stromanstiegszeit (t_2k) bei konstanter Stromrichtung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Vergleichszeit (t_X) nach dem Einschalten einer den Schrittmotor enthaltenden Vorrichtung erfolgt und/oder nach einer vorbestimmten Anzahl von Schrittmotoransteuerungen, insbesondere jedes Mal bevor ein von dem Schrittmotor bewegtes Element (AEL, AER) einen harten Stopp (HSL, HSR) erreicht, wiederholt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Stromanstiegszeit (t_2k) während der Kalibriermessung in einer Ausgangsposition des Rotors des Schrittmotors gestartet wird, in der der Schrittmotor bei der Bestromung mit dem Betriebsstrom (I_n) in seiner Laufeigenschaft nicht begrenzt ist, vorzugsweise in der der Schrittmotor mindestens einen halben, bevorzugt mindestens einen ganzen Schritt ausführen kann, ohne blockiert zu werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsposition des Rotors des Schrittmotors in der die Messung der Stromanstiegszeit (t_2k) gestartet wird, zumindest näherungsweise die Position ist, die sich einstellt, wenn die Motorwicklungen, in denen die Stromanstiegszeit (t_2k) gemessen wird, bestromt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsposition des Schrittmotors, in der die Messung der Stromanstiegszeit (t_2k) beginnt, gefunden wird, indem der Schrittmotor abwechselnd mindestens einmal in beide Bewegungsrichtungen mit einer Schrittzahl angesteuert wird, und dass die angesteuerte Schritte der jeweils nachfolgenden Ansteuerung eine geringere oder die gleiche Schrittzahl aufweisen als/wie die jeweils vorhergehende Ansteuerung, und dass die letzte Ansteuerung mit einer geringeren Schrittzahl erfolgt als die vorhergehende Ansteuerung.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens, bevorzugt genau, drei Ansteuerungen des Schrittmotors erfolgen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichszeit (t_X) durch Multiplikation der gemessenen Stromanstiegszeit (t_2k) mit einem Faktor bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Faktor aus einem Bereich zwischen etwa 2 und etwa 4, insbesondere zwischen etwa 2,5 und etwa 3,5 gewählt wird, bevorzugt etwa 3 beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schrittmotor in der Ausgangsposition nach der Kalibriermessung mindestens einen Schritt in jede Bewegungsrichtung ausführen kann, ohne blockiert zu werden.