DE102007018523A1

DE102007018523A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Kalibrierung eines Zeigerinstruments

Info

Publication number: DE102007018523A1
Application number: DE102007018523A
Authority: DE
Inventors: Jürgen NAUTH; Martin Fuchs
Original assignee: Preh GmbH
Current assignee: Preh GmbH
Priority date: 2007-04-19
Filing date: 2007-04-19
Publication date: 2008-10-23

Abstract

Verfahren zur Kalibrierung eines Zeigerinstruments (4) mit einem Permanentmagnet-Schrittmotor (5), insbesondere in einem Kraftfahrzeug, aufweisend die Verfahrensschritte - Verfahren des Zeigers (7) in einen mechanischen Anschlag - schrittweises Weiterdrehen des äußeren Magnetfeldes des Schrittmotors (5) - Detektieren des Umspringens des Rotors (10) des Schrittmotors (5) - Melden des Umspringens des Rotors (10) an die Steuerelektronik des Schrittmotors (5).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kalibrierung eines Zeigerinstruments mit einem Permanentmagnet-Schrittmotor, insbesondere für ein Kraftfahrzeug.
Beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 100 52 702 A1 ist ein Zeigerinstrument bekannt, bei dem ein Schrittmotor über ein Untersetzungsgetriebe einen Drehzeiger über eine Skala bewegt. Durch die kontrollierte Drehung des Schrittmotors kann die Position des Zeigers auf der Skala beeinflusst werden. Dazu ist es notwendig, in zumindest einem Punkt die genaue Zuordnung der Zeigerposition zur Position des Schrittmotors zu kennen.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kalibrierung eines Zeigerinstruments mit einem Permanentmagnet-Schrittmotor bereitzustellen.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Kalibrierung eines Zeigerinstruments mit einem Permanentmagnet-Schrittmotor enthält die Verfahrenschritte verfahren des Zeigers in einen mechanischen Anschlag, schrittweises Weiterdrehen des äußeren Magnetfeldes des Schrittmotors, detektieren des Umspringens des Rotors des Schrittmotors und melden des Umspringens des Rotors an die Steuerelektronik des Schrittmotors.
Die folgenden Ausführungen beziehen sich auf einen Permanentmagnet-Schrittmotor, dessen Rotor genau einen Nordpol und einen Südpol aufweist. Bei einer größeren Anzahl an Magnetpolen bleibt das zugrunde liegende Kalibrierungsprinzip gleich, doch ändern sich die Winkel, bei denen die zur Kalibrierung ausgenutzten Effekte auftreten.
Befindet sich der Zeiger des Zeigerinstruments im mechanischen Anschlag, so erfolgt keine weitere Drehung des Zeigers und des über ein Getriebe oder direkt mit dem Zeiger verbundenen Rotors des Schrittmotors, auch bei einem schrittweisen Weiterdrehen des äußeren Magnetfeldes des Schrittmotors. Somit folgt das Rotormagnetfeld nicht mehr dem äußeren Magnetfeld und die beiden Magnetfelder verdrehen sich gegeneinander. Bis zu einer Verdrehung von 90° stehen sich weiterhin ungleiche Pole gegenüber und erzeugen eine anziehende Kraft. Ab einer Verdrehung von 90° stehen sich gleiche Magnetpole gegenüber und erzeugen eine abstoßende Kraft. Die anziehende Kraft zwischen 0° und 90° sowie die abstoßende Kraft zwischen 90° und 180° erzeugen ein Drehmoment auf den Rotor, das den Zeiger in den mechanischen Anschlag drückt.
Erreicht der Schrittmotor einen Schritt, bei dem das äußere Magnetfeld um mehr als 180° gegenüber dem Rotormagnetfeld verdreht ist, so ändert sich die Richtung des Drehmoments, das die beiden Magnetfelder auf den Rotor ausüben. Es erfolgt ein Umspringen des Rotors um ungefähr 180°, bis sich wieder ungleiche Pole der Magnetfelder gegenüberstehen.
Bei diesem Umspringen des Rotors bewegt sich auch der Zeiger des Zeigerinstruments um einen durch das Getriebe vorgegebenen Winkel aus dem Anschlag heraus. Das Umspringen des Rotors wird detektiert und an die Steuerelektronik des Schrittmotors gemeldet. Die Position des Schrittmotors, bei der der Zeiger in den mechanischen Anschlag gelangt ist, ist um 180° gegenüber der Position versetzt, bei der der Rotor umgesprungen ist.
Die Motorposition, bei der der Rotor umspringt, wird auch als Sprungpunkt bezeichnet. Die um 180° versetzte Motorposition, bei der der Zeiger gerade den mechanischen Anschlag erreicht, wird als Anschlagpunkt bezeichnet. Weist der Rotor beispielsweise zwei Nordpole und zwei Südpole auf, so erfolgt das Umspringen des Rotors bei einer Verdrehung der Magnetfelder von 90°. Der Sprungpunkt und der Anschlagpunkt sind in diesem Fall um 90° gegeneinander versetzt.
Die exakte Kenntnis des Zusammenhangs zwischen Motorposition und Zeigerposition ist neben der Genauigkeit der Anzeige auch für die Initialisierung des Zeigerinstruments vorteilhaft. Wird das Zeigerinstrument, beispielsweise beim Einschalten der Zündung eines Kraftfahrzeugs, aktiviert, so ist die Position des Zeigers zunächst unbekannt. Daher wird bei der Initialisierung der Schrittmotor so oft gedreht, bis der Zeiger sicher in den mechanischen Anschlag gelangt. Hielte am Ende der Initialisierung der Schrittmotor an einer Position am oder hinter dem Sprungpunkt, so läge der Zeiger nicht mehr wie gewünscht am mechanischen Anschlag an. Die Initialisierungsphase des Zeigerinstruments endet daher bevorzugt mit einer Motorposition im Anschlagspunkt oder wenige Schritte darüber hinaus, so dass der Zeiger mit einer Vorspannung gegen den Anschlag gedrückt wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung erfolgt das Detektieren des Umspringens des Rotors mittels einer optischen Detektion der Zeigerposition. Die optische Detektion erfolgt beispielsweise über eine Lichtschranke oder mittels einer Kamera und einer Bilderfassung. Ein Vorteil der Lösung mit Kamera und Bilderfassung liegt darin, dass die Bilderfassung eine Toleranz beim Einbringen des Zeigerinstruments in die Kalibrierungsvorrichtung ausgleichen kann.
Die Verwendung einer Kamera und einer Bilderfassung ermöglicht darüber hinaus, dass der Zeiger mehrere Positionen auf der Skala anfährt, die Bilderfassung das Erreichen der Positionen an die Steuerelektronik des Schrittmotors meldet und die Steuerelektronik aus den zu den Positionen des Zeigers korrespondierenden Motorpositionen eine Kennlinie zur Ansteuerung des Schrittmotors generiert. Durch diese Kennlinie lassen sich beispielsweise Toleranzen bei der Fertigung der Skala kompensieren.
In einer alternativen Ausgestaltungsform der Erfindung erfolgt das Detektieren des Umspringens des Rotors durch Erfassen des Umspringens des Magnetfelds des Rotors. Beim Umspringen des Rotors dreht sich das Magnetfeld des Rotors innerhalb sehr kurzer Zeit um einen Winkel, der größer ist als bei der Drehung um einen einzelnen Schritt. Diese Drehung ist beispielsweise mittels eines Hall-Sensors messbar.
In einer weiteren alternativen Ausgestaltungsform erfolgt das Detektieren des Umspringens des Rotors mittels einer kapazitiven oder einer akustischen Detektion der Zeigerposition, so dass das Umspringen des Zeigers/Getriebes beim Kickback nicht nur sichtbar sondern auch hörbar ist.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kalibrierung eines Zeigerinstruments mit einem Permanentmagnet-Schrittmotor weist Mittel zur Kommunikation mit einer Steuerelektronik des Zeigerinstruments und Mittel zur Detektion des Umspringens des Rotors des Schrittmotors auf. Die Mittel zur Detektion des Umspringens des Rotors erfassen, wie vorstehend beschrieben, das Umspringen des Rotors, wenn das äußere Magnetfeld des Schrittmotors den Sprungpunkt erreicht. Die Mittel zur Kommunikation teilen der Steuerelektronik des Zeigerinstruments mit, das ein Umspringen des Rotors stattgefunden hat.
Bevorzugt weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine auf den Zeiger des Zeigerinstruments gerichtete Kamera zur indirekten Detektion des Umspringens des Rotors auf. Die Kamera und eine mit der Kamera verbundene Bilderfassung detektieren die mit dem Umspringen des Rotors verbundene Bewegung des Zeigers aus dem Anschlag heraus. Alternativ oder zusätzlich weist die Vorrichtung einen Magnetfeldsensor zur Detektion des Umspringens des Rotors des Schrittmotors auf.
Die vorliegende Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Kalibrierungsvorrichtung und
2 verschiedene Motorzustände während der Kalibrierung.
1 zeigt eine Kalibrierungsvorrichtung mit einer Kamera 1, einer Bilderfassung 2 und einer Elektronik 3 zur Kommunikation mit der Steuerelektronik eines Zeigerinstruments 4. Das Zeigerinstrument 4 weist einen Zeiger 7 auf der über ein Getriebe 6 von einem Schrittmotor 5 angetrieben wird. Das Zeigerinstrument 4 ist derart in der Kalibrierungsvorrichtung angeordnet, dass die Kamera 1 den Zeiger 7 und eine in der 1 nicht dargestellte Skala erfasst.
In der 2, die verschiedene Zustände des Zeigerinstruments 4 zeigt, sind das Getriebe 6 und der Rotor 10 des Schrittmotors 5 schematisch angedeutet. Das Permanentmagnetfeld im Rotor 10 ist durch einen Pfeil dargestellt, wobei die Spitze des Pfeils den Südpol repräsentiert. Der Nordpol des äußeren Magnetfelds des Schrittmotors 5 ist als Dreieck dargestellt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde auf die Darstellung des Südpols verzichtet. Der Zeiger 7 ist mit einem Zapfen 8 verbunden, der sich bei einer Drehung des Zeigers 7 in einer Ausnehmung 9 bewegt und mit den beiden Enden der Ausnehmung 9 jeweils einen mechanischen Anschlag für den Zeiger 7 bildet.
In dem in 2a dargestellten Zustand befindet sich der Zeiger 7 nicht in einem mechanischen Anschlag. Der Rotor 10 des Schrittmotors 5 kann der Bewegung des äußeren Magnetfelds folgen. Die Bewegung des äußeren Magnetfelds ist durch einen durchgezogenen Pfeil, die Drehung des Rotors 10 durch einen gestrichelten Pfeil angedeutet.
In dem in 2b dargestellten Zustand haben sich das äußere Magnetfeld und der Rotor 10 gegen den Uhrzeigersinn gedreht. Der Zapfen 8 befindet sich am Rand der Ausnehmung 9 und der Zeiger 7 damit in einem mechanischen Anschlag.
In dem in 2c dargestellten Zustand hat sich das äußere Magnetfeld im Vergleich zur Darstellung in 2b schrittweise um nicht ganz 180° weiter gegen den Uhrzeigersinn gedreht. Da sich der Zeiger 7 in einem mechanischen Anschlag befindet, konnte der über das Getriebe 6 mit dem Zeiger 7 verbundene Rotor 10 des Schrittmotors 5 dieser Drehung nicht folgen. Nun stehen sich gleiche Pole des Rotormagnetfeldes und des äußeren Magnetfeldes gegenüber. Die abstoßende Kraft zwischen den Magnetpolen erzeugt ein Drehmoment gegen den Uhrzeigersinn auf den Rotor 10, das aufgrund des mechanischen Anschlags des Zeigers 7 jedoch keine weitere Drehung des Rotors 10 erzeugen kann.
In 2d wurde das äußere Magnetfeld im Vergleich zum Zustand in 2c um einen weiteren Schritt gegen den Uhrzeigersinn gedreht. Dieser weitere Schritt hat bewirkt, dass sich das äußere Magnetfeld des Schrittmotors 5 um mehr als 180° weitergedreht hat, seit der Zeiger 7 in den mechanischen Anschlag geraten ist. Die abstoßende Kraft zwischen den gleichen Magnetpolen des Rotormagnetfeldes und des äußeren Magnetfeldes hat ein Drehmoment im Uhrzeigersinn auf den Rotor 10 erzeugt
Da der mechanische Anschlag des Zeigers 7 einer Drehung des Rotors 10 im Uhrzeigersinn nicht entgegensteht, hat das Drehmoment den Rotor 10 im Uhrzeigersinn gedreht, bis sich der Südpol des Rotormagnetfeldes und der Nordpol des äußeren Magnetfeldes gegenüberstehen. Weist das Rotormagnetfeld genau einen Nordpol und einen Südpol auf, so beträgt diese abrupte Drehung ungefähr 180°. Der Rotor 10 ist dem äußeren Magnetfeld nicht kontinuierlich gefolgt, sondern umgesprungen, als das äußere Magnetfeld den Sprungpunkt erreicht hat. Die Sprungrichtung des Rotors ist der Drehrichtung des äußeren Magnetfeldes entgegengesetzt. Dabei hat sich auch der Zeiger 7 aus dem mechanischen Anschlag herausgedreht.
Dieses sprunghafte Herausdrehen des Zeigers 7 aus dem mechanischen Anschlag wird mittels der Kamera 1 aufgenommen und der Bilderfassung 2 detektiert. Die Kommunikationselektronik 3 teilt der nicht dargestellten Steuerelektronik des Zeigerinstruments 4 mit, dass ein Sprung des Zeigers und damit ein Umspringen des Rotors 10 des Schrittmotors 5 stattgefunden hat. Aus der Bauart des Rotors 10 mit genau zwei Magnetpolen ergibt sich, dass die Motorposition, an der der Zeiger 7 genau den mechanischen Anschlag erreicht hat, gegenüber der Motorposition, an der der Rotor 10 umgesprungen ist, um 180° versetzt ist. Zur späteren Ansteuerung des Schrittmotors 5 speichert die Steuerelektronik des Schrittmotors 5 die Information über den Anschlagpunkt und/oder den Sprungpunkt.
Der Steuerelektronik des Schrittmotors 5 ist nun die Motorposition, bei der der Zeiger in den Anschlag geraten ist, exakt bekannt. In der Darstellung in 2e wurde das äußere Magnetfeld vom in der 2d dargestellten Figur um 180° gegen den Uhrzeigersinn gedreht, so dass sich der Zeiger 7 nun gerade im mechanischen Anschlag befindet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10052702 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Kalibrierung eines Zeigerinstruments (4) mit einem Permanentmagnet-Schrittmotor (5), insbesondere in einem Kraftfahrzeug, aufweisend die Verfahrensschritte – verfahren des Zeigers (7) in einen mechanischen Anschlag – schrittweises Weiterdrehen des äußeren Magnetfeldes des Schrittmotors (5) – detektieren des Umspringens des Rotors (10) des Schrittmotors (5) – melden des Umspringens des Rotors (10) an die Steuerelektronik des Schrittmotors (5).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektieren des Umspringens des Rotors (10) mittels einer optischen Detektion der Zeigerposition erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Detektion mittels einer Kamera (1) und einer Bilderfassung (2) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeiger (7) mehrere Positionen auf der Skala anfährt, die Bilderfassung (2) das Erreichen der Positionen an die Steuerelektronik des Schrittmotors (5) meldet und die Steuerelektronik aus den zu den Positionen des Zeigers (7) korrespondierenden Motorpositionen eine Kennlinie zur Ansteuerung des Schrittmotors (5) generiert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektieren des Umspringens des Rotors (10) durch Erfassen des Umspringens des Magnetfelds des Rotors (10) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektieren des Umspringens des Rotors (10) mittels einer kapazitiven oder akustischen Detektion der Zeigerposition erfolgt.
Vorrichtung zur Kalibrierung eines Zeigerinstruments (4) mit einem Permanentmagnet-Schrittmotor (5), insbesondere in einem Kraftfahrzeug, aufweisend Mittel (3) zur Kommunikation mit einer Steuerelektronik des Zeigerinstruments (4) und Mittel zur Detektion des Umspringens des Rotors (10) des Schrittmotors (5).
Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine auf den Zeiger (7) des Zeigerinstruments (4) gerichtete Kamera (1) zur indirekten Detektion des Umspringens des Rotors.
Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen Magnetfeldsensor zur Detektion des Umspringens des Rotors (10) des Schrittmotors (5).