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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erlangung eines Hinweises, insbesondere eines Anfangshinweises auf einen sich abzeichnenden Schrittverlust eines elektrisch kommutierten Motors, nachfolgend Schrittmotor genannt.
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Schrittmotoren, zu denen hier alle elektrisch kommutierten Motoren mit unterschiedlichen Modulierungsverläufen wie Block-Kommutierung, Halbschritt, Vollschritt, sowie verschiedene Microstepping-Varianten wie z.B. Sinus- oder Space-Vector-Modulation gezählt werden, werden beispielsweise als Stellglieder zum präzisen Verfahren mechanischer Komponenten, wie beispielsweise Klimaklappen einer Kfz-Klimaanlage, Kühlergrillblenden, Licht-Nivelierung, Wasserventile, etc., verwendet. Dabei kann durch Vorgabe der Schritte, zu denen nachfolgend auch Halb-, Viertel-, n-tel Schritte sowie Microschritte gezählt werden, die mechanische Rotation der Schrittmotorwelle sowie die mechanische Bewegung des mechanischen Elements oder der zurückgelegte Weg vorgegeben werden. Dabei ist es wichtig, dass frühzeitig erkannt wird, wenn der Schrittmotor zwar elektrisch entsprechend einem Schritt angesteuert wird, dieser Schritt aber vom Schrittmotor mechanisch nicht ausgeführt wird (Schrittverlusterkennung).
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In diesem Zusammenhang ist es bekannt, bei Schrittmotoren mit Block- oder PWM-Ansteuerung einen Komparator zu verwenden, der die Länge eines vom Motor in künstlich erzeugten hochohmigen Phasen zur Verfügung gestellten Impuls vermisst und auswertet.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schrittverlusterkennung für Schrittmotoren zu gewährleisten, wobei die Schrittverlusterkennung ohne zusätzliche Sensoren allein durch die Auswertung von Parametern einer PWM-Stromchopper-Ansteuereinheit erfolgt.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung Verfahren zur Erlangung eines Hinweises, insbesondere eines Anfangshinweises auf einen sich abzeichnenden Schrittverlust eines ein- oder mehrphasigen elektrisch kommutierten Elektromotors, nachfolgend Schrittmotor genannt, mit einer Ansteuereinheit, die pro Phase des Schrittmotors einen Highside-Schalter und einen Lowside-Schalter aufweist, einer PWM-Stromchopper-Ansteuereinheit für ein Bestromungsschema, das die Parameter Stromchopper-Einschaltzeitspannen, Stromchopper-Ausschaltzeitspannen und Stromchopper-Frequenz aufweist, welche bei schrittverlustfreiem Betrieb des Schrittmotors gemessen zu äquivalenten, zeitlich in Bezug auf die einzelne Motorphase gleichartigen Phasenwinkeln im Bestromungsschema Werte aufweisen, die von den jeweiligen Umgebungsbedingungen, wie Versorgungsspannung, Temperatur, Lastbedingungen abhängig sind, deren Abweichungen zwischen den einzelnen Motorphasen untereinander und/oder für jede einzelne Motorphase in zeitlich sequentiellem Ablauf innerhalb vorgebbarer Erwartungswertbereichen liegen, welche bei Betrieb des Schrittmotors ohne Schrittverlust gelten, vorgeschlagen, wobei bei dem Verfahren
- – während des Betriebs des Schrittmotors pro Phase und/oder phasenübergreifend die Stromchopper-Einschaltzeitspannen und/oder die Stromchopper-Ausschaltzeitspannen und/oder die Stromchopper-Frequenz zu äquivalenten Positionen (Phasenwinkeln) im Bestromungsschema jeweils zwischen den einzelnen Motorphasen untereinander und/oder für jede einzelne Motorphase in zeitlich sequentiellem Ablauf mit den jeweiligen Erwartungswertbereichen, gegebenenfalls unter Berücksichtigung zulässiger Abweichungen verglichen werden und
- – bei einer im Zuge dieser Vergleiche erkannten Abweichung der zuvor genannten Parameter gegenüber den jeweiligen Erwartungswertbereichen von mehr als einem vorgebbaren Schwellwert (der Werte gleich und ungleich Null annehmen kann) ein Hinweis auf einen sich anbahnenden Schrittverlust des Schrittmotors erlangt wird.
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Erfindungsgemäß wird die Schrittverlusterkennung anhand eines stromgesteuerten ein- oder mehrphasigen Schrittmotors durchgeführt. Die Stromsteuerung erfolgt mit Hilfe eines Stromchoppers, der sowohl den zeitlichen Stromverlauf vorgibt als auch die erforderliche Stellgröße zum Erreichen/Einhalten dieses Stromverlaufs mit wechselweiser Über- und Unterschreitung des zeitlichen Stromverlaufs erzeugt. Wenn diese Stellgröße jittert, d.h. "zappelt", dann kann daraus geschlossen werden, dass das System gestört ist, was als erster Hinweis für ein sich anbahnenden Schrittverlust gewertet werden kann.
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Dabei wird gemäß dem Verfahren nach der Erfindung derart vorgegangen, dass während des Betriebs des Schrittmotors pro Phase und/oder phasenübergreifend die Stromchopper-Einschaltzeitspannen und/oder die Stromchopper-Ausschaltzeitspannen und/oder die Stromchopper-Frequenz zu äquivalenten Positionen im Bestromungsschema jeweils zwischen den einzelnen Motorphasen untereinander und/oder für jede einzelne Motorphase in zeitlich sequentiellem Ablauf mit den jeweiligen Erwartungswertbereichen, gegebenenfalls unter Berücksichtigung zulässiger Abweichungen verglichen werden. Bei Normalbetrieb werden die Abweichungen der Stellgrößen des Stromchoppers innerhalb vorgegebener Erwartungswertbereiche liegen, die beispielsweise empirisch ermittelt worden sind. Sobald jedoch die Abweichungen der Stellgrößen des Stromchoppers außerhalb dieser Erwartungswertbereiche liegen, wird dies als Anzeichen für einen sich abzeichnenden Schrittverlust gewertet.
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Anders ausgedrückt lässt sich das Wesensmerkmal der Erfindung wie folgt umschreiben.
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Bei einer ungeregelten PWM-Ansteuerung eines Schrittmotors ohne Stromnachführung führen die Eigenschaften des Schrittmotors bei unterschiedlichen Lastzuständen zu unterschiedlichen Stromaufnahmen. Werden nun die Spulen- bzw. Phasenströme nachgeregelt, so sind die sich verändernden Motoreigenschaften anhand der sich ebenfalls verändernden Aussteuerung des Stromreglers erkennbar. Bei Verwendung einer Stromchopper-Ansteuerung ist damit die Chopper-Einschaltzeit oder auch die Chopper-Ausschaltzeit oder aber auch die Chopper-Frequenz (bei konstanter Einschalt- oder Ausschaltzeit) ein Maß für die Veränderungen im Schrittmotor bei Lastwechseln. Diese sich ändernden Aussteuerungswerte (Stellgrößen) des Stromchoppers werden nun erfindungsgemäß für eine Motorphase oder aber auch für sämtliche Motorphasen ermittelt und miteinander verglichen. Durch diese Auswertung lässt sich anhand des Stabilitätsverhaltens der Aussteuerungswerte (Stellgrößen) ein Schrittverlust ermitteln. Hierzu reicht unter Umständen die Bewertung der Stabilität eines der oben angegebenen Parameter (Stromchopper-Einschaltzeit, Stromchopper-Ausschaltzeit, Stromchopper-Frequenz) aus.
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Durch Erhöhung der Ansteuerung oder Reduktion der Drehzahl kann möglicherweise ein drohender Schrittverlust vorteilhafterweise noch verhindert werden. Bei beginnender Instabilität des jeweils untersuchten Parameters kann bei Bedarf die aktuelle Position des Schrittmotors zwischengespeichert werden, um dann bei einer später erkannten Schrittverlustsituation auf diese Position zurückgreifen zu können.
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Wie bereits oben erwähnt, werden Abweichungen der Stromchopper-Einschalt- und/oder Ausschaltzeitspannen zwischen den einzelnen Motorphasen untereinander und/oder für jede einzelne Motorphase in zeitlich sequentiellem Ablauf mit Erwartungswertbereichen verglichen. Diese Erwartungswertbereiche können beispielsweise empirisch im Vorhinein ermittelt werden oder auf andere Weise bestimmt werden, indem
- – die Erwartungswerte für maximal zulässige Abweichungen bei denen noch kein Schrittverlust erkannt werden soll, an jedem Motorsystem für sich nach der Produktion mit fehlerfreiem aber grenzwertigem Lastzustand angelernt werden, also die typischen Werte ermittelt und mit wählbaren zusätzlichen zulässigen Toleranzen versehen in der Ansteuereinheit als maximal zulässiger Erwartungswertbereich abgelegt werden,
- – die Erwartungswerte für maximal zusätzliche zulässige Abweichungen, bei denen noch kein Schrittverlust erkannt werden soll, an einem oder mehreren vorgealterten Elektromotoren als Referenzsystemen mit fehlerfreiem aber grenzwertigem Lastzustand angelernt werden, also die typischen Werte ermittelt und mit wählbaren zusätzlichen zulässigen Toleranzen versehen in der Ansteuereinheit als maximal zulässiger Erwartungswert abgelegt werden, und
- – die Erwartungswerte für maximal zulässige Abweichungen, bei denen noch kein Schrittverlust erkannt werden soll, im Laufe der Lebenszeit des Schrittmotors mit höheren Toleranzen versehen werden.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein erkannter, bevorstehender Schrittverlust bei dem Schrittmotor durch eine Reduktion der Drehzahl des Schrittmotors und/oder durch eine Erhöhung der Chopper-Bestromung und/oder eine Anpassung der Phasenlage der Bestromung verhindert wird.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist ferner vorgesehen, dass bei der Erkennung eines potentiell bevorstehenden Schrittverlusts, also bei Vorliegen eines ersten Anfangshinweises die aktuelle Position des Schrittmotors, die sich aus einer Zählung von bis zu diesem Zeitpunkt erfolgten Schritten oder Microschritten des Schrittmotors ergibt, gespeichert wird.
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Schließlich kann gemäß einer Weiterführung der Erfindung vorgesehen sein,
- – dass die Erwartungswerte für maximal zulässige Abweichungen, bei denen noch kein Schrittverlust erkannt werden soll, an einem oder mehreren vorgealterten Referenzsystemen mit fehlerfreiem aber grenzwertigen Lastzustand angelernt, also die typischen Werte ermittelt und mit wählbaren zusätzlichen zulässigen Toleranzen versehen in der Ansteuereinheit als maximal zulässiger Erwartungswert abgelegt werden, und/oder
- – dass die Erwartungswerte für maximal zulässige Abweichungen bei denen noch kein Schrittverlust erkannt werden soll, an jedem Motorsystem für sich nach der Produktion mit fehlerfreiem aber grenzwertigen Lastzustand angelernt, also die typischen Werte ermittelt und mit wählbaren zusätzlichen zulässigen Toleranzen versehen in der Ansteuereinheit als maximal zulässiger Erwartungswert abgelegt werden, und/oder
- – dass die Erwartungswerte für maximal zulässige Abweichungen, bei denen noch kein Schrittverlust erkannt werden soll, im Laufe der Lebenszeit des Motors mit höheren Toleranzen versehen werden.
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Zwecks Klassifizieren der Abweichung des betreffenden Parameters von dem entsprechenden Erwartungswert oder bereich können Verfahren zur statistischen Mustererkennung Anwendung finden, mit denen Betriebszustände des elektrischen (Schritt-)Motors klassifizierbar sind, um definierte Maßnahmen zur Minimierung der Auswirkung von Fehlfunktionen und zur Prognostizierung der zukünftigen Auswirkungen einer Fehlfunktion auf den Motor ergreifen zu können. Die Prognose kann dabei in Form zukünftiger möglicher Betriebszustände erfolgen, denen Wahrscheinlichkeiten und/oder Bewertungszahlen (z.B. Auswirkungsbewertungen) zugeordnet sind.
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Hierbei können ein oder mehrere der nachfolgend aufgelisteten Verarbeitungsschritte durchgeführt werden:
- a) Bilden eines Feature-Vektors aus mehreren Werten der Abweichungen, die gleichzeitig und/oder sequenziell festgestellt werden wobei der Feature-Vektor auf einfache und höhere Ableitungen und/oder einfache und höhere Integrale dieser Werte und/oder andere aus diesen Werten abgeleitete Größen sowie weitere Größen aus anderen Sensorsystemen umfassen kann.
- b) Multiplikation eines Feature-Vektors mit einer Lineardiskriminanzanalyse-(LDA-)Matrix zu einem modifizierten Feature-Vektor zur Steigerung der Selektivität.
- c) Vergleich des modifizierten Feature-Vektors mit prototypischen Vektoren, d.h. den Betriebszustandsprototypen, die insbesondere in einer Prototypendatenbank abgelegt sind, wobei das Ergebnis des Vergleiches ein binärer und/oder digitaler und/oder analoger Abstandswert zwischen dem modifizierten Feature-Vektor und dem jeweiligen prototypischen Vektor je bewertetem prototypischen Vektor ist.
- d) Selektion mindestens eines Betriebszustandsprototyps der besagten Datenbank aufgrund eines Abstandswertes, wobei insbesondere der Betriebszustandsprototypen mit dem kleinsten Abstandswert und/oder der Betriebszustand mit der schwersten Auswirkung und/oder mit der schwersten Auswirkungsbewertung selektiert wird.
- e) Ausgabe zumindest des selektierten Betriebszustandsprototypen.
- f) Gegebenenfalls Ausgabe zumindest des Abstandswertes der dem Feature-Vektor relativ zum selektierten Betriebszustandsprototypen zugeordnet ist und/oder eines daraus abgeleiteten Wertes.
- h) Gegebenenfalls Ausgabe weiterer selektierte Betriebszustandsprototypen und zugehöriger Abstandswerte und/oder daraus abgeleiteter Werte zur Ausgabe einer Hypothesenliste, die typischerweise auch den selektierten Betriebszustandsprototypen und dessen Abstandswert umfasst.
- i) Gegebenenfalls Ermittlung der wahrscheinlichsten Kette von Betriebszustandsprototypen und Prognose mindestens eines folgenden prognostizierten Betriebszustandes oder einer prognostizierten Betriebszustandssequenz.
- j) Gegebenenfalls Einleitung von Maßnahmen auf Grund des selektierten Betriebszustandes und/oder der ermittelten Hypothesenliste und/oder des prognostizierten Betriebszustandes oder der prognostizierten Betriebszustandssequenz.
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Alternativ zu den an sich bekannten Grundverfahren der statistischen Mustererkennung können zur Verarbeitung der Abweichungen des betreffenden Parameters von dem diesem zugeordneten Erwartungswert oder bereich neuronale Netze und/oder Petrinetze und/oder Fuzzy-Logik und/oder ein Viterbi-Algorithmus eingesetzt werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand verschiedener Ausführungsbeispiele und unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im Einzelnen zeigen dabei:
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1 ein Beschaltungskonzept für einen bipolaren Schrittmotor mit Lowside-Stromchopper,
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2 beispielhaft die Bestromungskurven bzw. das Bestromungsschema für die vier Lowside-Treiber der Stromchopper-Steuerung nach 1 und
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3 eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts der sinusförmigen Bestromungskurve einer der Lowside-Treiber der 1.
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1 zeigt schematisch die Hauptkomponenten eines bipolaren Schrittmotors mit exemplarischer Stromchopper-Steuerung der Lowside-Treiber. Der Motor M hat in diesem Ausführungsbeispiel zwei Wicklungen A, B, deren Anschlüsse A1, A2 bzw. B1, B2 in an sich bekannter Weise über Paare aus Lowside- und Highside-Treibern A1L, A1H, A2L, A2H, B1L, B1H, B2L, B2H. Die Ansteuerung der Treiber erfolgt mittels einer Chopper-Steuerung CS, die Eingangssignale von vier Komparatoren KA1L, KA2L, KB1L, KB2L empfängt. Diese Komparatoren vergleichen Chopper-Stromreferenzwerte, die von der Einheit CSR entsprechend dem vorgegebenen Bestromungsverlauf vorgegeben werden, mit dem aktuell fließenden Strom. Das bisher beschriebene Bestromungskonzept ist an sich bekannt.
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Neu ist nun, dass in der Chopper-Steuerung CS nicht nur die Ansteuersignale für die Treiber erzeugt sondern auch die jeweiligen Stromchopper-Einschaltzeitspannen, die den einzelnen Treiber zugeordnet sind, gemessen werden.
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2 zeigt ein Beispiel für ein Bestromungsschema in Sinusform. Zu erkennen sind die Sinusverläufe der Spannungen an den Anschlüssen A1, A2 bzw. B1, B2 der beiden Wicklungen. Ein Beispiel für jeweils äquivalente Zeitpunkte in den Beschaltungsschemata gemäß 2, nämlich 45° Phasenversatz relativ zu einem Nulldurchgang der Spannung bei während des Nulldurchgangs positiver Steigung ist in 2 jeweils bei Z gezeigt.
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Eine vergrößerte Darstellung des Signalverlaufs im Bereich eines Zeitpunkts Z mit Darstellung des durch den Stromchopper erzeugten Stromverlaufs ISCA1L zeigt 3. Der Strom wird durch den Stromchopper stets für Einschaltzeitspannen t jeweils erhöht, bis der aktuelle Sollwert der Soll-Stromkurve IA1L erreicht ist.
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Wird nun hier exemplarisch der Parameter Stromchopper-Einschaltzeitspanne t innerhalb jeder Phase des Schrittmotors oder aber auch phasenübergreifend zu den jeweils für das Bestromungsschema äquivalenten Zeitpunkten Z miteinander verglichen, so stellt sich bei Normalbetrieb des Schrittmotors ein vom Betriebs- und Lastzustand abhängiger Erwartungswert ein, der innerhalb eines vorgegebenen Erwartungswertbereichs liegt.
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Bedeutsamer ist jedoch, dass bei einem Motor ohne sich abzeichnenden Schrittverlust die Abweichungen der zu äquivalenten Zeitpunkten Z aufgenommenen Werte zwischen den einzelnen Motorphasen untereinander und/oder für jede einzelne Motorphase in zeitlich sequentiellem Ablauf innerhalb von Erwartungsbereichen liegen. Dieses bedeutet, dass diese betrachteten Parameter unabhängig von ihrem Absolutwert zeitlich stabil sind, bzw. im kleinen zeitlichen Rahmen nur innerhalb von Erwartungswerten schwanken. Sobald Fehler im Betrieb des Schrittmotors auftreten, kommt es zu Abweichungen der Einschaltzeitspannen, die dann außerhalb des Erwartungswertbereichs liegen. Das wird erfindungsgemäß als (erstes) Anzeichen für einen Schrittverlust des Schrittmotors gewertet.
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Unabhängig davon ermöglichen Vergleiche des zeitlich sequentiellen Ablaufs der Parameter mit Erwartungswerten für einen sich anbahnenden Schrittverlust eine Erkennung eines potentiell bevorstehenden Schrittverlusts und eine Verhinderung eines tatsächlichen Schrittverlusts durch eine Reduktion der Drehzahl des Schrittmotors und/oder durch eine Erhöhung der Chopper-Bestromung und/oder eine Anpassung der Phasenlage der Bestromung.