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Steuerung zum Treiben eines Schrittmotors
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft eine Motosteuerung und insbesondere eine Steuerung zum Treiben eines Schrittmotors.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Schrittmotoren können wegen der Vibrationen, die durch einzelne Schrittfolgen erzeugt werden, von Natur aus laut sein. Bekannte Steuerungen, die für einen offenen Regelkreis ausgebildet sind, sind einfach und kostengünstig. Allerdings muss der Schrittmotor überdimensioniert und mit einer übermäßigen Leistung bemessen sein, damit ein Schrittverlust vermieden wird. Eine Folge der eingeschränkten Steuerung (fehlende Kenntnis der tatsächlichen Motordynamik) ist ein hohes Maß an Drehmomentpulsationen, die in Rauschen umgewandelt werden. Ferner führt eine hohe Eingangsleistung zu einer hohen Wärmeabgabe.
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Andere bekannte Steuerungen basieren auf einer sensorlosen Kommutation, bei der die Antriebswellen auf die gegenelektromotorische Kraft (Gegen-EMK) abgefühlt werden und versucht wird, die Rotorposition abzuleiten und die Kommutierungsfolge entsprechend anzupassen. Diese Art Kommutierung ist bequem, weil keine externe Positionserfassung des Rotors erforderlich ist. Jedoch ist sie nur innerhalb eines eingeschränkten Bereichs von Betriebsbedingungen stabil und wird kritisch bei rasch variierenden Lasten (die zum Beispiel bei Bewegungen in Richtung auf einen Endanschlag entstehen). Ferner erfordern solche Steuerungen eine Mikroverarbeitung für den Zeitablauf und die Generierung von Sinusstromwellenformen. Ein weiteres Problem ergibt sich beim Stillstand des Motors, wenn keine gegenelektromotorische Kraft vorhanden ist; die Position des Rotors ist unbekannt, und der Startvorgang erfolgt im Wesentlichen in einem Open-Loop-Modus.
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Bei bürstenlosen Gleichstrommotoren werden digitale Hall-Sensoren für die Detektion der Rotorposition verwendet. Die Positionsinformation ist unstetig und nicht durchgehend. Es wird ein doch beträchtliches Maß einer Mikroverarbeitung und Logik benötigt, um sich einem gleichmäßig drehenden Magnetfeld zu nähern. Digitale Elektronik unterliegt jedoch digitalen Störungen aufgrund von Codierfehlern, ungenügend definierten Bedingungen, elektromagnetischen Störungen oder hohen Temperaturen. Schätzwertalgorithmen können die Position und die Geschwindigkeit bei sich rasch ändernden Bedingungen, d.h. bei Blockieren des Motors oder bei einer spontanen Richtungsumkehr, oftmals nicht zuverlässig vorhersagen. Bei einer niedrigen Geschwindigkeit oder einer Nullgeschwindigkeit werden die Schätzungen oft ungenau.
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Es wird daher eine vereinfachte Steuerung benötigt, die zuverlässig und stabil das Treiben eines Schrittmotors mit verminderten Vibrationen erlaubt, insbesondere beim Starten des Schrittmotors.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Steuerung zum Treiben eines Schrittmotors mit einem Magnetrotor und mindestens einer Spule angegeben, wobei die Steuerung umfasst: eine Leistungsstufe für die Versorgung der mindestens einen Spule mit Strom, mindestens einen analogen Hall-Sensor zur Bereitstellung eines Signals in Abhängigkeit von der Position des Magnetrotors relativ zu dem Hall-Sensor, und eine Rückführungsleitung, die den Hall-Sensor mit der Leistungsstufe verbindet, um das Signal des Hall-Sensors zur Leistungsstufe zurückzuführen, die konfiguriert ist für die Stromversorgung der mindestens einen Spule in Abhängigkeit von dem Signal des Hall-Sensors.
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Vorzugsweise umfasst die Steuerung ferner einen geschlossenen Regelkreis mit einer Geschwindigkeitsregelstufe, deren Eingang mit dem Hall-Sensor und deren Ausgang mit der Leistungsstufe verbunden ist, wobei die Regelstufe konfiguriert ist für den Empfang des Signals des Hall-Sensors und für die Erzeugung eines von der Leistungsstufe zu empfangenden Referenzsignals, wobei das Referenzsignal die Amplitude des Signals des Hall-Sensors, das über die Rückführungsleitung bereitgestellt wird, einstellt.
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Vorzugsweise umfasst die Geschwindigkeitsregelstufe einen weiteren Eingang für den Empfang eines externen Signals, das einen Sollwert für die Drehzahl des Rotors definiert.
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Vorzugsweise ist der Eingang der Geschwindigkeitsregelstufe über einen Frequenz-Spannungs-Wandler mit dem Hall-Sensor verbunden.
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Vorzugsweise ist der mindestens eine Sensor ein analoger Hall-Sensor, der ein im Wesentlichen sinusförmiges Signal liefert, wenn sich der Motor dreht, und/oder wobei die Leistungsstufe konfiguriert ist für die Erzeugung eines der mindestens einen Spule zuzuführenden Stroms, der im Wesentlichen eine Sinuswellenform hat.
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Vorzugsweise sind mindestens zwei Hall-Sensoren vorgesehen, um in Abhängigkeit von der Position des Magnetrotors relativ zu den Hall-Sensoren zwei Signale zu liefern, wobei die beiden Signale phasenverschoben sind und die Phasenverschiebung vorzugsweise 90° beträgt.
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Vorzugsweise sind die beiden Hall-Sensoren rund um die Drehachse des Rotors derart angeordnet, dass der Winkel zwischen ihnen kleiner als 60 Grad ist, wobei die Hall-Sensoren bevorzugt auf einer Platte angeordnet sind, auf der die Leistungsstufe angeordnet ist.
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Vorzugsweise beträgt der Abstand zwischen den beiden Hall-Sensoren weniger als 4 mm, bevorzugt weniger als 3 mm.
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Vorzugsweise ist die Steuerung als ASIC (anwendungsspezifische integrierte Schaltung) ausgebildet.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Schrittmotor mit der vorstehend beschriebenen Steuerung angegeben.
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Vorzugsweise ist zumindest ein analoger Hall-Sensor bezüglich des Magnets des Rotors radial versetzt angeordnet, um eine radiale magnetische Flusskomponente zu messen, oder ist bezüglich des Magnets axial versetzt angeordnet, um eine axiale magnetische Flusskomponente zu messen.
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Vorzugsweise umfasst der Rotor einen Magnetring, der sich seitlich aus dem Stator heraus erstreckt.
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Vorzugsweise ist die Steuerung auf einer Platte angeordnet, vorzugsweise einer Leiterplatte.
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Vorzugsweise ist die Platte fest an einer seitlichen Verlängerung des Spulenkörpers des Schrittmotors angebracht, wobei die seitliche Verlängerung vorzugsweise einstückig mit dem Bereich des die mindestens eine Spule tragenden Spulenkörpers ausgebildet ist.
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Vorzugsweise sind mindestens zwei analoge Hall-Sensoren auf der Platte angeordnet.
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Vorzugsweise hat der Schrittmotor einen Rotor, der von mindestens zwei Spulen umgeben ist, die entlang der Drehachse des Rotors axial versetzt angeordnet sind.
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Vorzugsweise hat der Rotor einen Magnet, der ringähnlich ist und/oder mindestens vier Magnetpole hat, bevorzugt mindestens sechs Magnetpole und weiter bevorzugt mindestens acht Magnetpole.
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Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Aktuator angegeben, umfassend einen Schrittmotor gemäß einem der Ansprüche 10 bis 17 und ein Zahnradgetriebe.
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Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung einer Steuerung, eines Schrittmotors und/oder eines Aktuators wie vorstehend beschrieben in einem Heizungs-, Lüftungs- und/oder Klimasystem eines motorisch angetriebenen Fahrzeugs.
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Bei der Steuerung gemäß vorliegender Erfindung wird durch eine Rückführungsleitung ein geschlossener Regelkreis bereitgestellt, der mindestens einen analogen Hall-Sensor mit der den Schrittmotor mit Strom versorgenden Leistungsstufe verbindet. Diese Ausbildung hat den Vorteil, dass ein Rückführungssignal an die Leistungsstufe geliefert werden kann, wodurch eine verbesserte Bewegung des Schrittmotors im Hinblick auf Vibrationen und folglich im Hinblick auf Rauschen sowie ein besserer Wirkungsgrad und eine höhere Betriebsstabilität ermöglich werden. Da die Stromversorgung des Schrittmotors optimiert werden kann, muss der Motor zur Vermeidung eines Schrittverlusts nicht überdimensioniert sein, d.h. der erfindungsgemäße Schrittmotor kann im Vergleich zu einem fachbekannten Motor, der für die gleichen Anwendungen verwendet wird, sowohl im Hinblick auf die Leistung als auch im Hinblick auf die Dimensionen etc. verkleinert werden. Ferner kann die Steuerung derart ausgebildet sein, dass eine zuverlässige und präzise Bewegung des Motors garantiert wird, insbesondere wenn der Motor aus seiner Ruheposition gestartet und/oder in Richtung auf eine Ruheposition, die zum Beispiel durch einen Endanschlag definiert wird, bewegt wird.
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Vorzugsweise ist ferner eine geschlossene Regelschleife mit einer Geschwindigkeitsregelstufe vorgesehen, um ein Referenzsignal für die Einstellung der Amplitude des Signals des Hall-Sensors zu erzeugen. Dies ermöglicht eine Einstellung der Geschwindigkeit des Motors auf einen Sollwert. Darüber hinaus können Änderungen des Magnetflusses oder des Spulenwiderstands infolge von Temperaturänderungen kompensiert werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nunmehr anhand eines Beispiels beschrieben, wobei auf die anliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird. Identische Strukturen, Elemente oder Teile, die in mehr als einer Zeichnungsfigur erscheinen, sind in sämtlichen Figuren, in denen sie erscheinen, grundsätzlich identisch gekennzeichnet. Die Dimensionen von Komponenten und Merkmalen sind im Hinblick auf eine übersichtliche Darstellung gewählt und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. Die Figuren sind nachstehend aufgelistet.
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1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer elektronischen Schaltung einer Steuerung gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 ist eine schematische Darstellung eines Rotormagnets mit einem ersten Hall-Sensor und möglicher Positionen für einen zweiten Hall-Sensor;
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3 zeigt Signale, die von zwei Hall-Sensoren erzeugt werden, wobei der zweite Hall-Sensor an einer der Positionen 42 in 2 angeordnet ist;
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4 zeigt Signale, die von zwei Hall-Sensoren erzeugt werden, wobei der zweite Hall-Sensor an einer der Positionen 43 in 2 angeordnet ist;
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5 zeigt in einem Diagramm das Drehmoment in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit eines konventionellen Motors und eines für die gleiche Anwendung konzipierten Motors, der jedoch eine erfindungsgemäße Steuerung enthält;
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6 ist eine perspektivische Ansicht eines Schrittmotors mit einer erfindungsgemäßen Steuerung;
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7 ist eine perspektivische Ansicht eines Aktuators mit einem Schrittmotor gemäß 5; und
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8 zeigt einen Vergleich gemessener Rauschpegel beim Treiben des Motors mit einer Standardsteuerung und mit einer erfindungsgemäßen Steuerung.
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DETAILBSCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm der elektronischen Schaltung 1 einer Steuerung zum Treiben eines Schrittmotors derart, dass die Drehrichtung und die Drehzahl vorgegeben werden können. Der Schrittmotor hat einen Rotor mit einem Magnet 10 der mehrere Magnetpole aufweist. Es sind in der typischen Weise vier Pole vorgesehen, während zehn Pole oder mehr bevorzugt werden. Der Stromkreis umfasst einen Hall-Sensor 11, vorzugsweise in der Form eines analogen Hall-Sensors. Ein analoger Hall-Sensor ist ein Messgeber, dessen Ausgangssignal in Abhängigkeit von dem gefühlten Magnetfeld variiert, und der als analoges Element als Ausgangssignal direkt eine Spannung ausgibt. Der Hall-Sensor 11 erlaubt die kontaktlose Messung der Winkelposition des Magnets 10 (in elektrischen Einheiten).
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Die elektronische Schaltung 1 ist als geschlossener Regelkreis ausgebildet. Insbesondere umfasst die Schaltung 1 eine erste Rückführungsleitung 12a, die den Sensor 11 über eine Komponente für die Einstellung der Verstärkung, die zum Beispiel einen Verstärker 13 enthält, mit dem Eingang der Leistungsstufe 20 verbindet.
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Die Leistungsstufe 20 ist zum Bespiel als spannungsgesteuerte Stromquelle mit einer Stromrückführungskreis 24 ausgebildet. Sie umfasst eine Filtereinrichtung 21, die einen Proportional-Integral-Regler ("PI-Regler") enthalten kann, und einen Leistungsverstärker 22, der einen Ausgang 23 für die Verbindung mit der(den) Spule(n) des Motors und eine Rückführungsleitung 24 für die Rückführung des Ausgangssignals des Leistungsverstärkers 22 zu dem Eingang der Leistungsstufe 20 umfasst. Der Eingang umfasst einen Komparator 25, der ein Signal von dem Verstärker 13 und dem Ausgang der Leistungsstufe 20 empfängt.
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Der Leistungsverstärker 22 ist zum Beispiel konfiguriert für einen Betrieb auf der Basis eines Impulses mit Modulation (PWM) zum Steuern der an die Last, d.h. an die Spule(n), gelieferten Strommenge. Der Strom wird gesteuert, indem die Zufuhr mit hoher Frequenz an- und abgeschaltet wird. Die durchschnittliche Spannung und damit der an die Last gelieferte Strom werden mit der Einschaltdauer (AN-Zeit pro Schaltperiode) moduliert.
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Die Schaltung 1 umfasst ferner eine zweite Rückführungsschleife. Insbesondere ist eine Rückführungsleitung 12b vorhanden, die den Sensor 11 mit dem Eingang einer Geschwindigkeitsregelstufe 30 verbindet. In der zweiten Rückführungsleitung 12b ist ein Frequenz-Spannungs-Wandler 14 enthalten. Die Geschwindigkeitsregelstufe 30 hat einen Eingang 36 für den Empfang eines externen Signals, einen Komparator 35, einen PI-Regler 31 und einen Begrenzer 32, der mit dem Verstärker 13 verbunden ist. Die Komponenten 31, 32 sind Regelungskomponenten, die die dynamische Antwort der zweiten Rückführungskreis definieren.
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Das externe Signal 36 definiert den Sollwert für die Geschwindigkeit des Rotors und kann zum Beispiel durch einen Benutzer ausgelöst werden. Das Signal ist zum Beispiel ein konstanter Wert oder kann mit der Zeit variieren, abhängig von den Anforderungen der Anwendung.
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Im Betrieb erzeugt der Hall-Sensor 11 ein Spannungssignal in Abhängigkeit von dem Polarisierungsschema und der Position des Magnets. Bei einem seitlich magnetisierten mehrpoligen Ringmagnet ist das Signal sinusförmig mit der Form, die der gegenelektromotorischen Kraft (Gegen-EMK) entspricht, d.h. der durch den sich drehenden Magnet 10 in der Spule induzierten Spannung. Die Phasenverschiebung zwischen dem Hall-Spannungssignal und der Gegen-EMK ist konstant und wird vorzugsweise durch die Positionierung des analogen Hall-Sensors 11 in einem geeigneten Winkel minimiert. Im Gegensatz zu der Gegen-EMK ist die Amplitude des durch den Sensor 11 bereitgestellten Signals jedoch unabhängig von der Rotorgeschwindigkeit. Aus diesem Grund ist die momentane Winkelposition des Rotors jederzeit bekannt, auch im Stillstand.
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Das Spannungssignal des Sensors 11 wird über den Verstärker 13 zur Leistungsstufe 20 geleitet und entspricht im Wesentlichen dem genauen Signal, das benötigt wird, um die Form und die Phase des Stroms zum Treiben des Motors zu definieren.
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Information über die tatsächliche Geschwindigkeit des Rotors wird zum Beispiel erhalten, indem die Zeiten zwischen den Nulldurchgängen des Signals des Hall-Sensors, das eine Frequenz ergibt, ausgewertet werden. Diese Frequenz wird durch den Frequenz-Spannungs-Wandler 14 in eine Spannung (in 1 mit Ω* bezeichnet) umgewandelt. Die Spannung Ω*, die dem Ist-Wert der Rotorgeschwindigkeit entspricht, wird mit einer Eingangs-Referenzspannung (in Figur mit Ω bezeichnet) verglichen, wodurch die Sollgeschwindigkeit festgelegt wird, um ein Ausgangssignal ΔΩ zu erzeugen, das durch die Komponenten 31, 32 in ein Geschwindigkeitssignal I*a weiter verarbeitet wird.
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Vorzugsweise ist die Geschwindigkeitsregelstufe 30 derart konfiguriert, dass sie eine Schleife bildet, die die eingespeiste Energie (d.h. den Strom) einem Pegel angleicht oder auf einen Pegel begrenzt, der notwendig ist, um die Geschwindigkeit zu halten. Das Signal ΔΩ definiert eine Spitzenamplitude des Stroms zum Erregen der Spule.
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Das Geschwindigkeitssignal I*a ist der Verstärkungsfaktor, der in den Verstärker 13 eingegeben wird, um die Amplitude des in 1 mit i*a bezeichneten Signals des Hall-Sensors einzustellen. In der Leistungsstufe 20 vergleicht der Komparator 25 dieses Signal i*a mit dem Ist-Strom ia in der Rückführungsleitung 24, um einen Vergleichswert Δia zu produzieren, der durch die Komponenten 21, 22 dementsprechend gefiltert und verstärkt wird, um ein Stromsignal zum Erregen des Motors zu erzeugen.
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In allgemeinen Worten definiert das Signal des Hall-Sensors 1, das über die Rückführungsleitung 12a geliefert wird, die Form und die Phase des Stromsignals an dem Ausgang 23, wohingegen die Amplitude des Stromsignals durch die Geschwindigkeits-Rückführungsschleife bestimmt wird, die durch die Geschwindigkeitsregelstufe 30 gebildet wird.
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Abhängig von der Ausführung des Schrittmotors werden mehrere Stromsignale zum Treiben des Rotors benötigt. Bei einem Zweiphasen-Schrittmotor wird ein durch zwei Phasen mit einer Phasenverschiebung von 90° erzeugtes sich drehendes Magnetfeld benötigt, d.h. sin(a)t)) und sin(a(t) + pi/2) = cos(a(t)). Die Signale werden von zwei Sensoren geliefert, deren jeder die Form eines analogen Hall-Sensors 11 aufweist und seine eigene Leistungsstufe 20 und Geschwindigkeitsregelstufe 30 von 1 hat.
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Allgemein ermöglicht die Verwendung von zwei Hall-Sensoren 11 die augenblickliche Information über die absolute Position des Magnets 10. Das Ergebnis ist, dass die elektronische Schaltung 1 in geeigneter Weise auf dynamische Änderungen des Lastdrehmoments reagieren kann. Der Zustand und die Position des Rotors sind stets bekannt. Es ist möglich, für einen beinahe perfekten sinusförmigen Kommutierungsstrom zu sorgen, der eine sehr gleichmäßige Drehmomentübertragung garantiert. Der geschlossene Regelkreis, der durch die Rückführungsleitung 12a gebildet wird, erlaubt eine Einstellung der in den Motor eingeleiteten Energie auf das Minimum, das benötigt wird, um die Geschwindigkeit bei einem gegebenen Lastdrehmoment gerade zu halten. Die Drehmomentpulsationen sowie das Geräusch werden daher auf ein Minimum reduziert.
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Damit die gewünschte Phasenverschiebung hergestellt werden kann, müssen die analogen Hall-Sensoren 11 in geeigneter Weise positioniert sein. 2 zeigt den mehrpoligen Magnet 10 und den Ort des ersten Hall-Sensors 11. Dieser Sensor 11 misst den radialen Magnetfluss und erzeugt ein Ausgangssignal, das durch die Kurve 11a in den 3 und 4 dargestellt ist, wobei die x-Koordinate der Drehwinkel und die y-Koordinate die Spannungshöhe V ist. Die Kreuze 42 und die Punkte 43 in 2 definieren die möglichen Positionen des zweiten Hall-Sensors, um zwei sinusförmige, in der Phase um 90° verschobene Signale zu erhalten, wie in den 3 und 4 gezeigt. Eine Kurve 42a in 3 ist das entsprechende Signal eines Hall-Sensors an einem Kreuz 42, und eine Kurve 43a in 4 ist das entsprechende Signal eines Hall-Sensors, der an einem Punkt 43 liegt. Der Winkel zwischen zwei benachbarten Positionen ist mit 360°/NP angegeben, wobei NP die Anzahl von Magnetpolen ist. (In dem Beispiel von 2 ist NP gleich 10, was einen Winkel von 36° ergibt). Im Prinzip sind zwei Hall-Sensoren in einen Abstand s*(n – 1/2) voneinander entfernt angeordnet, wobei s der Polabstand ist und n = 1, 3, 5, ... ist. Wahlweise genügt auch eine Anordnung mit n = 0, 2, 4, ... den Anforderungen einer 90° Phasenverschiebung, wobei jedoch ein Signal eine umgekehrte Polarität aufweist. Vorzugsweise sind zwei Hall-Sensoren einander benachbart angeordnet, so dass sie auf derselben Platte montiert oder in demselben Chip integriert sein können. In diesem Fall ist der Winkel zwischen den Hall-Sensoren so gewählt, dass er weniger als 60 Grad, insbesondere weniger als 45 Grad beträgt. Der Abstand zwischen den Hall-Sensoren kann in einem Bereich von 1 mm bis 4 mm liegen.
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Statt der Verwendung von zwei Hall-Sensoren ist es ebenfalls möglich, nur einen Sensor vorzusehen. In dieser Ausführungsform wird das zweite Signal z.B. durch Differentiation von dem ersten Signal abgeleitet, das von dem Hall-Sensor geliefert wird. In diesem Fall muss sich der Magnet 10 des Rotors bewegen, damit das Signal des Hall-Sensors 11 differenziert werden kann. Eine Treiberlösung auf der Basis eines einzigen Hall-Sensors ist wegen der geringen Anzahl von Komponenten vorteilhaft. Um die Uneindeutigkeit der Winkelposition bei einer niedrigen oder Nullgeschwindigkeit zu lösen, können Schätzwertmethoden angewendet werden.
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Die erfindungsgemäße Steuerung hat unter anderem den Vorteil, dass der Erregerstrom und die Leistung des Schrittmotors optimiert werden können, während eine zuverlässige und präzise Bewegung des Rotors garantiert wird. Insbesondere wird das Risiko eines Schrittverlustes reduziert oder sogar eliminiert. Dadurch lässt sich ein zuverlässiger Betrieb bei einer gegebenen bestimmten Anwendung, z.B. das Schwenken eines Elements in einem Fahrzeug, mit einem weniger leistungsfähigen Motor sicherstellen. Dies ist in dem Diagramm von 5 dargestellt, in dem die x-Koordinate die Geschwindigkeit des Rotors und die y-Koordinate das Drehmoment ist. Wird ein konventioneller Schrittmotor verwendet, so ist dieser normalerweise mit einer überhöhten Leistung ausgestattet, um in einer bestimmten Umgebung einen zuverlässigen Betrieb zu erreichen. (In Fahrzeugen zum Beispiel können die Batteriespannung und die Umgebungstemperatur in den Bereichen von 8V bis 16V bzw. –40°C bis –155°C variieren.) Die Kurve 46 in 5 zeigt schematisch das Kippmoment eines konventionellen Schrittmotors, der im Open-Loop-Modus angesteuert wird, in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit. Jedoch liegt der Ist-Betriebspunkt eines Schrittmotors bei Nenngeschwindigkeit immer gut unterhalb dieser Kurve 46, damit Synchronizität gewährleistet werden kann, wie durch den Punkt 47a angegeben. Durch die Verringerung des Motor-Ausgangsdrehmoments auf eine für die Bewegung der Last bei einer spezifizierten Geschwindigkeit minimal notwendige Höhe, wie durch den Pfeil 46a angegeben, werden der Strom für die Erregung der Spule(n), die Leistung in dem System sowie drehmomentbezogene Vibrationen und Geräusche im Vergleich zu dem Betrieb eines konventionellen Schrittmotors tatsächlich verringert. Die Linie 47 zeigt eine typische Lastlinie eines Gleichstrommotors zum Vergleich.
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6 zeigt einen Schrittmotor mit einem Rotor, der einen mehrpoligen Magnet 10 in Form eines Ringes und eine Ausgangswelle mit einem Schneckengetriebe 51 zur Verbindung mit einem Antriebsrad umfasst. Der Stator des Schrittmotors hat Statorbereiche 52 mit Polzähnen, die den Rotor umgeben, mindestens eine Spule (in 6 nicht zu sehen) für die Magnetisierung der Polzähne und einen Spulenkörper 53. Der Schrittmotor ist zum Beispiel als Blechdose (oder Klauenpol-Motor) gestaltet und hat zum Beispiel zwei Spulen, die entlang der Drehrichtung koaxial angeordnet sind.
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Der Magnet 10 erstreckt sich seitlich aus dem Stator 52 heraus, um für einen der Hall-Sensoren 11 zugänglich zu sein, damit die radiale Magnetflusskomponente des Außenumfangs des Magnets gemessen werden kann.
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Der Schrittmotor umfasst ferner eine Platte 55, auf der eine ASIC (anwendungsspezifische integrierte Schaltung), die die elektronische Schaltung 1 von 1 umfasst, angeordnet ist. Vorzugsweise ist die ASIC derart ausgebildet, dass der(die) Hall-Sensor(en) integriert ist(sind). Stifte 56 für die Verbindung mit einem Kabel erstrecken sich von der Platte 55. In der Ausführungsform von 6 hat der Spulenkörper 53 einen Armbereich 53a, der mit dem die Spule(n) tragenden Bereich des Spulenkörpers 53 einstückig ausgebildet ist und der sich seitlich aus dem Stator 52 heraus erstreckt. Die Platte 55 mit den Stiften 56 ist an dem Armbereich 53a befestigt, wodurch eine gegenüber dem Magnet 10 starre Anordnung des(der) Hallsensors(Hallsensoren) geschaffen wird, so dass eine präzise Messung seiner Position ermöglicht wird.
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7 zeigt einen Aktuator mit dem Schrittmotor von 6, wobei die Abdeckung des Gehäuses nicht dargestellt ist. Das Schneckengetriebe 51 ist mit dem Zahradgetriebe 58 verbunden, dessen Ausgangswelle mit dem durch den Aktuator zu bewegenden Element verbunden werden kann.
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Der Aktuator kann zum Beispiel in einem motorisch angetriebenen Fahrzeug verwendet werden, insbesondere in dem Heizungs-, Lüftungs- und/oder Klimasystem. Solche Systeme haben eine oder mehrere Klappen, die durch den Aktuator verstellt werden müssen. Das Gehäuse eines solchen Systems kann sich ähnlich verhalten wie eine Schalldose oder ein Resonator. Daher werden Aktuatoren mit einem besonders niedrigen Erregungspegel bevorzugt, da übertragene Vibrationen in Geräusche umgewandelt und durch das Gehäuse verstärkt werden können.
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8 zeigt die Ergebnisse von Rauschmessungen bei einem Aktuator, dessen Schrittmotor auf verschiedene Weisen angesteuert wird. An der x-Koordinate ist die Geschwindigkeit des Rotors angegeben, vorliegend in Einheiten von fsps ("vollen Schritten pro Sekunde"), und an der y-Koordinate ist der Geräuschpegel angegeben, vorliegend in Einheiten von dbA (in A gewichtete Dezibel). Die Kurven 61 geben das Geräusch an, das erzeugt wird, wenn der Schrittmotor mit einem standardmäßigen 1/16-Mikroschritttreiber bei verschiedenen Strompegeln angesteuert wird. Die Kurve 62 entspricht dem Geräusch, das erzeugt wird, wenn der Schrittmotor durch die Rückmeldung eines analogen Hall-Sensors gemäß der Erfindung angesteuert wird. Wie ersichtlich ist, ergibt die Kurve 62 einen Geräuschpegel an, der bei der jeweils gemessenen Rotorgeschwindigkeit im Vergleich zu der konventionellen Ansteuerung drastisch gesenkt wird.
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Verben wie ”umfassen”, ”aufweisen”, ”enthalten” und ”haben” sowie deren Abwandlungen in der Beschreibung und in den Ansprüchen der vorliegenden Anmeldung sind in einem einschließenden Sinne zu verstehen. Sie geben an, dass das genannte Element oder Merkmal vorhanden ist, schließen jedoch nicht aus, dass noch weitere Elemente oder Merkmale vorhanden sind.
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Es versteht sich, dass bestimmte Merkmale der Erfindung, die der Übersichtlichkeit halber im Kontext einzelner Ausführungsformen beschrieben wurden, auch in einer einzigen Ausführungsform kombiniert sein können. Umgekehrt können verschiedene Merkmale, die der Kürze der Beschreibung halber im Kontext einer einzigen Ausführungsform beschrieben wurden, ebenso getrennt oder in zweckmäßigen Unterkombinationen vorgesehen sein können.
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Wenngleich vorliegende Erfindung anhand einer oder mehrerer bevorzugter Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass innerhalb des Schutzrahmens der Erfindung, der durch die anliegenden Ansprüche definiert ist, verschiedene Modifikationen möglich sind.
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Zum Beispiel kann der Schaltkreis der Steuerung so ausgebildet sein, dass einige oder sämtliche Signale, die von dem mindestens einen Hall-Sensor geliefert werden, digitalisiert werden. Zum Beispiel kann die Rückmeldungsleitung 12a in 1 einen Analog-Digital-Wandler enthalten, zum Umwandeln des Signals, das der zumindest eine Hall-Sensor in analoger, d.h. kontinuierlicher Form bereitstellt, in ein digitales Signal, das nichtkontinuierlich ist. Das digitale Signal wird zur Leistungsstufe 20 und zur Geschwindigkeitsregelstufe 30 geleitet, wo die Operationen einiger oder sämtlicher Blöcke in den Schleifen 20 und/oder 30 digital ausgeführt werden.
