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Die Erfindung betrifft eine Treibervorrichtung oder Treiberschaltung für einen Schrittmotor. Eine solche Treibervorrichtung empfängt über eine Taktelektrode ein Taktsignal und dreht den Schrittmotor mit jedem Takt des Taktsignals jeweils um einen Schritt weiter. Die Schrittweite jedes Schritts ist hierbei einstellbar. Zu der Erfindung gehört auch ein Verfahren zum Steuern der Treibervorrichtung durch eine Prozessoreinrichtung, die das besagte Taktsignal erzeugt.
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Jeder Takt des Taktsignals entspricht dem Befehl oder der Aufforderung „ein Schritt weiter“ . Eine Treibervorrichtung weist zum Empfangen dieses Taktsignals aus einer vorrichtungsexternen Prozessoreinrichtung, beispielsweise einer CPU (Central Processing Unit) oder einem Mikrocontroller, die besagte Taktelektrode auf, also einen dedizierten Pin. Zusätzlich kann zum Konfigurieren der Treibervorrichtung ein Kommunikationsbus vorgesehen sein, über welchen die Treibervorrichtung Konfigurationsdaten empfangen kann. Ein Beispiel für einen solchen Kommunikationsbus ist das SPI (Serial Peripheral Interface) . Bei heutigen Treibervorrichtungen kann mittels der Konfigurationsdaten über den Kommunikationsbus in einem Register eine Schrittweitenangabe eingestellt werden, die angibt, um welche Schrittweite der Schrittmotor mit jedem Schritt gedreht werden soll. Bekannte Schrittweiten sind der in seiner Größe konstruktiv bedingten Vollschritt, der Halbschritt und weitere Bruchteile, wie 1/4, 1/8. Eine Beschreibung einer Treibervorrichtung zur Erläuterung der Funktionsweise der Schrittweiteneinstellung ist beispielsweise aus der
WO 01/ 41 294 A1 zu entnehmen.
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Das Umstellen oder Ändern der Schrittweitenangabe hat zur Folge, dass bei gleichbleibender Taktrate der Takte des Taktsignals die Drehzahl des Schrittmotors entsprechend der Änderung der Schrittweite beispielsweise halbiert oder verdoppelt wird. Um dies zu vermeiden, um also die Drehzahl des Schrittmotors konstant zu halten, muss mit dem Umstellen der Schrittweite gleichzeitig die Taktrate verändert werden. Da aber das Register zum Einstellen der Schrittweitenangabe über den Kommunikationsbus eingestellt wird, ist von außerhalb der Treibervorrichtung nur mit hohem technischen Aufwand ersichtlich, wann genau die Konfigurationsdaten in dem Register wirksam werden. Erfolgt keine synchrone Veränderung der Schrittweite einerseits und der Taktrate des Taktsignals andererseits, so kommt es zu einer sprunghaften oder stufenweisen Änderung der Drehzahl des Schrittmotors, was in einem unruhigen Lauf des Schrittmotors oder gar Schrittverlust resultiert.
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Um synchron eine Änderung der Schrittweite einerseits und der Taktrate andererseits zu ermöglichen, ist bei der Treibervorrichtung mit dem Produktnamen NCV70514 des Unternehmens ON Semiconductor® vorgesehen, dass zusätzlich zu der Taktelektrode noch zwei Auswahlelektroden bereitgestellt sind, über welche vier binäre Zustände (00, 01, 10, 11) unabhängig von dem Kommunikationsbus vorgegeben werden können und so zwischen vier verschiedenen Schrittweiten verzögerungsfrei ausgewählt werden kann. Zudem erfordern die zwei zusätzlich vorgesehenen Auswahlelektroden, dass zwei CPU-Pins an dem integrierten Schaltkreis und Platz auf der Leiterplatte bereitgestellt werden.
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Die Beschränkung auf vier direkt einstellbare Schrittweiten führt aber zu einem eingeschränkten Nutzen dieser Lösung.
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Aus der gattungsgemäßen
DE 298 20 494 U1 ist eine Schrittmotoransteuerung bekannt, welcher an einem Takteingang ein Taktsignal und an einem Schrittweiten-Eingang eine Schrittweite vorgegeben wird, wobei es sich bei diesen Angaben jeweils nur um eine effektive Angabe handelt, die durch eine Umschalteinheit mittels eines Faktors a umgerechnet wird, um einen in Bezug auf die Resonanz günstigeren Betrieb zu erhalten.
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Aus der
EP 0 663 081 B1 ist bekannt, zum Steuern eines Schrittmotors eine Abfolge von Schrittwinkeln zu speichern, um hierdurch ein Beschleunigungsprofil zum Beschleunigen des Schrittmotors festzulegen.
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Aus der
EP 1 051 670 B1 ist bekannt, zum Vorgeben eines Bewegungsprofils eines Schrittmotors einen Rampendatensatz in die Steuerung des Schrittmotors zu übertragen. Durch einen Rampendatensatz werden die Zeitabstände zwischen einzelnen Schaltimpulsen für den Schrittmotor vorgegeben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kontinuierlichen Drehzahlverlauf eines Schrittmotors auch bei Umstellen der Schrittweite in der Treibervorrichtung zu gewährleisten.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren offenbart.
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Durch die Erfindung ist eine Treiberschaltung oder Treibervorrichtung für einen Schrittmotor bereitgestellt. Dabei ist ein Takt-Pin oder eine Taktelektrode vorgesehen, die zum Empfangen eines Taktsignals, insbesondere eines vorrichtungsexternen Taktsignals, vorgesehen ist. Durch das Taktsignal sind Taktpulse oder kurz Takte für eine Schrittfolge des Schrittmotors vorgegeben. Eine Steuereinrichtung ist dazu eingerichtet, mit jedem Takt den Schrittmotor jeweils um einen Schritt mit einer aktuell eingestellten Schrittweite weiterzudrehen. Dies kann durch die Steuereinrichtung bewirkt werden, indem beispielsweise elektrische Spulen eines Stators des Schrittmotors entsprechend bestromt werden. Die erfindungsgemäße Treibervorrichtung weist des Weiteren eine Kommunikationseinrichtung zum Empfangen von Konfigurationsdaten über einen Kommunikationsbus auf. Es kann sich hierbei insbesondere um einen Kommunikationsbus handeln, beispielsweise einen SPI-Bus.
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Um nun im Betrieb des Schrittmotors, während dieser also dreht, flexibel zwischen unterschiedlichen Schrittweiten wechseln zu können, sind in der Steuereinrichtung der Treibervorrichtung zwei programmierbare Register zum Speichern einer jeweiligen Schrittweitenangabe bereitgestellt. Ein programmierbares Register bedeutet, dass der jeweilige Registerinhalt, also die Schrittweitenangabe, durch Speichern entsprechender Konfigurationsdaten neu eingestellt oder rekonfiguriert werden kann. Entsprechend ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, in den Registern eine jeweilige in den über den Kommunikationsbus empfangenen Konfigurationsdaten enthaltene Schrittweitenangabe abzuspeichern. Mit anderen Worten wird also eine Schrittweitenangabe über den Kommunikationsbus in Form der Konfigurationsdaten empfangen und in einem der Register abgespeichert. Des Weiteren ist ein Auswahl-Pin oder eine Auswahlelektrode zum Empfangen eines vorrichtungsexternen Auswahlsignals zum Auswählen eines der Register bereitgestellt. Die Auswahlelektrode ist unabhängig von dem Kommunikationsbus, stellt also eine von der Kommunikationseinrichtung verschiedene Empfangseinrichtung dar. Eine Schalteinheit der Treibervorrichtung ist dazu eingerichtet, in Abhängigkeit von dem Auswahlsignal eines der Register auszuwählen und die aktive oder aktuelle Schrittweite gemäß der in dem ausgewählten Register gespeicherten Schrittweitenangabe einzustellen. Mit anderen Worten wird durch die Schalteinheit in Abhängigkeit von dem Auswahlsignal festgelegt, welche Schrittweitenangabe aktuell für das Betreiben des Schrittmotors gültig ist oder zugrunde gelegt wird. Eine Schrittweitenangabe kann beispielsweise zumindest eine der folgenden Schrittweiten vorsehen: Vollschritt, Halbschritt, 4tel-Schritt, 8tel-Schritt, 16tel-Schritt, 32tel-Schritt, 64tel-Schritt.
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In dem jeweils anderen, verbleibenden Register kann dann mittels weiterer Konfigurationsdaten über den Kommunikationsbus eine frei wählbare weitere Schrittweitenangabe gespeichert werden. Bevorzugt ist, dass nur eine benachbarte Schrittweitenangabe in der Folge der möglichen Schrittweitenangaben eingestellt wird, also die nächst-größere und die nächst-kleinere (eventuell auch durch einen Befehl +/- 1) . Durch Verändern des Auswahlsignals in der Auswahlelektrode schaltet die Schalteinheit dann wieder auf das andere Register um und es wird die darin gespeicherte Schrittweiteneingabe gültig, das heißt die entsprechende Schrittweite eingestellt oder zugrundegelegt. Die beschriebene Taktelektrode und die Auswahlelektrode sind asynchrone, elektrische Signaleingänge, die also nicht über eine Buslogik und eine digitale Codierung verzögert sind. Es kann auch vorgesehen sein, das zweite Register nicht für eine explizite, absolute Schrittweitenangabe zu nutzen, d.h. es ist auch ohne explizites zweites Register möglich. Beispielsweise kann man an der Auswahlelektrode auch einen Puls erzeugen, der in der Steuereinrichtung eine Logik auslöst, die dasselbe bewirkt. Das zweite Register kann z.B. als Schrittweitenangabe auch die Information +/-1 enthalten (es reicht dabei 1 bit bzw. 2 bit, wenn man +/-0 (=ignoriere den Puls an der Auswahlelektrode) auch noch kodieren will). Man kann auch mit jedem Takt an der Auswahlelektrode inkrementieren, bis man die weiteste Schrittgröße (Vollschritt) erreicht hat und danach wieder dekrementieren, bis man die kleinste erreicht hat (danach wieder inkrementieren und so weiter) .
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Die erfindungsgemäße Treibervorrichtung stellt einen Aspekt der Ausgestaltung der Treiberschaltung für den Schrittmotor dar. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft das Steuern dieser Treiberschaltung von außerhalb.
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Hierzu ist erfindungsgemäß ein Verfahren zum Steuern der Treiberschaltung vorgesehen. Das Verfahren wird durch eine mit der Treiberschaltung gekoppelte Prozessoreinrichtung, beispielsweise einen Mikrocontroller oder einen Mikroprozessor, durchgeführt.
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Gemäß dem Verfahren wird an einer Auswahlleitung das Auswahlsignal zum Auswählen eines der Register der Treibervorrichtung erzeugt. Dieses Auswahlsignal wird über die Auswahlleitung übertragen und von der Treibervorrichtung über deren Auswahlelektrode empfangen. An einer Taktleitung wird das Taktsignal mit aufeinanderfolgenden Takten erzeugt. Die Taktleitung überträgt das Taktsignal zu der Taktelektrode der Treibervorrichtung. Die Treibervorrichtung betreibt hierdurch einen Schrittmotor mit einer bestimmten Drehgeschwindigkeit oder Drehdrehzahl. Die Drehzahl ist dabei bestimmt durch die Taktrate des Taktsignals sowie durch die in dem aktuell ausgewählten Register als Schrittweitenangabe gespeicherte Schrittweite.
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Um nun bei drehendem Schrittmotor die aktuelle, zugrundegelegte Schrittweite zu verändern, ohne dass hierbei eine sprunghafte oder ruckartige Veränderung der Drehzahl des Schrittmotors verursacht wird, sind die folgenden Schritte vorgesehen. Über den Kommunikationsbus werden Konfigurationsdaten zum Einstellen einer Schrittweitenangabe in dem nicht-ausgewählten Register der Treibervorrichtung ausgesendet. Dies hat zunächst keine Auswirkung auf den Betrieb des Schrittmotors, da für diesen die Schrittweitenangabe aus dem ausgewählten Register zugrundegelegt wird. Das Auswahlsignal wird dann derart geändert, dass durch die Schalteinheit das mittels der Konfigurationsdaten konfigurierte Register ausgewählt wird. Hierdurch wird dann die Schrittweitenangabe in diesem Register gültig oder aktiv, das heißt die entsprechende Schrittweite wird verwendet. Mit dem Ändern des Auswahlsignals wird auch eine Taktrate des Taktsignals derart geändert, dass die durch die Schrittweitenangabe vorgegebene Schrittweite kombiniert mit der geänderten Taktrate eine zumindest beim nächsten Takt unveränderte Drehzahl des Schrittmotors ergibt, d.h. also die eingestellte Drehzahl unverändert bleibt, oder dass sich die Drehzahl des Schrittmotors um weniger als einen vorbestimmten Höchstwert ändert. Natürlich ist auch dann eine Veränderung der Drehzahl durch Verändern der Taktrate möglich, wie es z.B. beim Beschleunigen oder Entschleunigen des Schrittmotors vorgesehen sein kann. So ist eine konstante Änderungsrate der Drehzahl realisierbar.
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Durch die Erfindung ergibt sich somit der Vorteil, dass bei drehendem Schrittmotor die Schrittweite geändert werden kann, ohne dass dies eine sprunghafte Veränderung der Drehzahl und damit beispielsweise einen unrunden oder unruhigen oder ruckelnden Drehverlauf des Schrittmotors bewirkt. Hierbei kann die Schrittweite beliebig vorgegeben werden. Durch das Verfahren erreicht man, dass der Schrittmotor bei geringer Drehzahl mit vielen kleinen Schritten angesteuert wird, wodurch die inerten ruckartigen Bewegungen oberhalb der mechanischen Frequenz des Schrittmotors zu liegen kommen und eine gleichmäßige(re) Bewegung entsteht. Auf der anderen Seite wird es möglich, bei schneller Fahrt in größeren Schritten zu verfahren, wodurch die Anzahl der Schritte pro Zeiteinheit im Rahmen bleibt und die CPU (Prozessoreinrichtung) nicht überlastet wird. Bevorzugt werden typischerweise immer benachbarte Schrittweiten eingestellt, wodurch sich die Taktfrequenz oder Taktrate jeweils halbiert bzw. verdoppelt. Ziel ist es, den Motor mit gleichmäßiger Geschwindigkeit ruckfrei zu bewegen und Beschleunigungen unterhalb einer (z.B. vom Schrittmotor und der Belastung) vorgegebenen Schwelle zu halten.
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Zu der Erfindung gehören auch optionale Weiterbildungen, durch deren Merkmale sich zusätzliche Vorteile ergeben.
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Bevorzugt ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, den beschriebenen Registerwechsel zwischen zwei Takten des Taktsignals vollständig durchzuführen. Hierdurch muss auf Seiten der Prozessoreinrichtung das Taktsignal mit der geänderten Taktrate erzeugt werden. Es ist also eine taktgenaue Synchronisierung der Taktrate einerseits und der Schrittweite andererseits möglich, indem die Prozessoreinrichtung zunächst das Auswahlsignal und mit dem nächsten Takt auch das Taktsignal anpasst.
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Bevorzugt ist die beschriebene Auswahlelektrode einadrig ausgestaltet (abgesehen von einer Rückleitung oder Masseleitung) und lediglich als ein einziger Pin oder ein einziger Draht oder eine einzige Leitung vorgesehen.
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Die Schalteinheit ist entsprechend dazu eingerichtet, das Register in Abhängigkeit von einem Spannungspegel des Auswahlsignals einzustellen. Um zwischen den zwei Registern umzuschalten, können z.B. ein High-Pegel und ein Low-Pegel definiert sein. Hierdurch ist nur eine einzige Auswahlelektrode nötig, um die beschriebene Koordinierung von Schrittweite und Taktrate erfindungsgemäß zu implementieren.
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In der Kommunikationseinrichtung kann eine Empfangsrate für die Konfigurationsdaten kleiner als die Taktrate des Taktsignals sein. Mit anderen Worten kann eine Kommunikationseinrichtung verwendet werden, die nicht in der Lage sein muss, das Einstellen der Schrittweitenangabe in dem Register zwischen zwei Takten durchzuführen. Erst das Umschalten mittels der Auswahlelektrode muss derart schnell ausgestaltet sein. Dies macht die Treibervorrichtung in der Herstellung technisch einfach. Es erleichtert aber auch die Softwarearchitektur in der Prozessoreinrichtung (CPU), als dass jegliche Änderung der Register in einem normalen Task realisiert werden kann und die zeitkritische Änderung des Schrittmodus selbst innerhalb des Interrupt implementiert wird, wobei hier nur ein CPU-Pin angesteuert wird und innerhalb des Interrupts keine (komplizierten) Kommunikationsaufwände anfallen.
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Auch auf Seiten der Prozessoreinrichtung gibt es bevorzugte Ausgestaltungen, das heißt bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Um sicherzustellen, dass die Prozessoreinrichtung erst dann das Auswahlsignal ändert und damit ein anderes Register auswählt, wenn dort eine gültige Schrittweitenangabe gespeichert ist, ist bevorzugt eine Möglichkeit vorgesehen festzustellen, dass die Abspeicherung des richtigen Wertes erfolgt ist. Die Realisierung kann je nach Bussystem verschieden sein, etwa mittels Quittierung oder Verifizierung z.B. mittels Rücklesen. Somit wird der Prozessoreinrichtung das abgeschlossene oder fertige Abspeichern signalisiert. Hierdurch ist sichergestellt, dass die Prozessoreinrichtung erst dann das Auswahlsignal ändert und hiermit dieses Register auswählt, wenn dort eine gültige Schrittweitenangabe gespeichert ist.
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Bevorzugt ist bei dem Verfahren vorgesehen, dass das Erzeugen des Taktsignals und des Auswahlsignals interruptbasiert erfolgt und das Ändern des Taktsignals und des Auswahlsignals in einem selben Interrupt durchgeführt werden. Ein solcher Interrupt kann beispielsweise ein Timer-Interrupt oder Zeitgeber-Interrupt sein. Dies stellt auch auf Seiten der Prozessoreinrichtung das synchrone Umschalten von Schrittweite und Taktrate zwischen zwei Takten sicher.
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Dagegen werden die Kommunikationsdaten über den Kommunikationsbus bevorzugt interrupt-unabhängig ausgesendet. Hierdurch wird die Rechenlast in der Prozessoreinrichtung reduziert.
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Das Umschalten der Schrittweite bei drehendem Schrittmotor kann insbesondere dazu genutzt werden, den Schrittmotor zu beschleunigen und/oder zu verlangsamen und hierbei die Drehzahl kontinuierlich zu verändern, indem die Taktrate vergrößert bzw. verkleinert wird und bei Erreichen einer Grenze eines vorgegebenen Taktratenbereichs jeweils die Schrittweite verdoppelt bzw. halbiert wird.
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So wird bevorzugt für eine Vergrößerung der Drehzahl des Schrittmotors die Taktrate gemäß einem vorbestimmten Taktratenverlauf vergrößert. Z.B. kann ein Rampenverlauf der Taktrate vorgesehen sein. Hierbei wird (bei im aktuell ausgewählten Register eingestellter aktueller Schrittweite) eine nächst-größere Schrittweite, also beispielsweise 8tel-Schrittweite, in dem nicht-ausgewählten Register der Treibervorrichtung eingestellt. Bei Erreichen einer vorbestimmten Höchsttaktrate des Taktsignals, z.B. 1000 Hz bei 16-tel Schrittweite, wird dann das bisher nicht-ausgewählte Register, in welchem die nächst-größere Schrittweite als Schrittweitenangabe vorgehalten ist, ausgewählt. Dies wird in der beschriebenen Weise durch Ändern des Auswahlsignals erreicht. Im selben Takt der Taktleitung, in welchem das Register ausgewählt wird, wird auch die Taktrate reduziert, also beispielsweise von der beschriebenen Höchsttaktrate auf eine halb so große Taktrate. Da hierbei die Schrittweite vergrößert ist, also in dem Beispiel verdoppelt, bleibt insgesamt im Folgetakt die Drehzahl des Schrittmotors unverändert. Somit kann also eine rampenförmige oder generell kontinuierliche Vergrößerung der Drehzahl ohne Sprünge im Drehzahlverlauf des Schrittmotors erreicht werden.
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Anders herum ist bevorzugt vorgesehen, für eine Verringerung der Drehzahl des Schrittmotors die Taktrate gemäß einem vorbestimmten Taktratenverlauf, beispielsweise einem Rampenverlauf, bei einer aktuellen Schrittweite zu verringern. Hierbei wird eine nächst-kleinere Schrittweite in dem nicht-ausgewählten Register der Treibervorrichtung eingestellt. Beispielsweise kann die aktuelle Schrittweite die 16tel-Schrittweite sein und die nächst-kleinere Schrittweite die 32tel-Schrittweite im zweiten Register. Bei Erreichen einer vorbestimmten Mindesttaktrate wird das bisher nicht-ausgewählte Register ausgewählt und im selben Takt die Taktrate vergrößert. In dem Beispiel wird also die Schrittweite halbiert. Entsprechend kann die Taktrate verdoppelt werden. Damit ergibt sich wieder dieselbe Drehzahl des Schrittmotors wie beim vorangegangenen Takt.
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Die beschriebenen Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Treibervorrichtung entsprechen Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die hier deshalb nicht noch einmal ausführlich beschrieben sind. Entsprechend sind auch die Merkmale und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens Bestandteil von Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Treibervorrichtung, die aus diesem Grund hier nicht noch einmal beschrieben sind.
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Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Treibervorrichtung sowie eine Prozessoreinrichtung, die eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchführt.
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Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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1 zeigt einen Schrittmotor 1, der an eine Treibervorrichtung 2 angeschlossen ist. Die Treibervorrichtung 2 kann beispielsweise als integrierter Schaltkreis oder als Schaltungsplatine ausgestaltet sein. Die Treibervorrichtung 2 kann durch eine Prozessoreinrichtung 3 gesteuert werden. Die Treibervorrichtung 2 kann hierzu mit der Prozessoreinrichtung 3 über einen Kommunikationsbus 4, eine Taktleitung 5 und eine Auswahlleitung 6 gekoppelt sein.
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Die Treibervorrichtung 2 kann eine Kommunikationseinrichtung 7 (BUS) aufweisen, über welche die Treibervorrichtung 2 mit dem Kommunikationsbus 4 verschaltet oder gekoppelt sein kann. Der Kommunikationsbus 4 kann beispielsweise ein SPI-Bus sein. Die Kommunikationseinrichtung 7 kann durch einen Busanschluss und einen Buscontroller realisiert sein. Die Auswahlleitung 6 kann mit einer Auswahlelektrode STEP der Treibervorrichtung 2 verbunden sein, um in der später beschriebenen Weise eine Schrittweite einzustellen zu können. Des Weiteren kann die Taktleitung 5 mit einer Taktelektrode NXT der Treibervorrichtung 2 verbunden sein, um eine Schrittfolge des Schrittmotors 1 zu takten oder vorzugeben.
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Der Schrittmotor 1 selbst wird durch die Treibervorrichtung 2 mit elektrischer Energie durch abwechselndes Beschalten seiner elektrischen Wicklungen versorgt. Hierzu kann eine Leistungselektronik 8 vorgesehen sein, die in Abhängigkeit von einem Taktsignal 9 gesteuert wird, das von der Prozessoreinrichtung 3 erzeugt und über die Taktleitung 5 an die Taktelektrode NXT übertragen wird. In Abhängigkeit von einer Taktrate f1, f2 des Taktsignals 9 ergibt sich eine Drehzahl n des Schrittmotors 1.
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Hierzu wird mit jedem Takt 10 des Taktsignals 9 der Schrittmotor 1 einen Schritt weitergedreht.
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Eine Schrittweite S ist hierbei ebenfalls einstellbar. Dazu weist die Treibervorrichtung 2 zwei Register 11, 12 auf, in denen jeweils eine Schrittweitenangabe S1, S2 angegeben oder gespeichert ist. Durch eine Schalteinheit 13 kann in Abhängigkeit von einem über die Auswahlleitung 6 übertragenen Auswahlsignal 14 der Prozessoreinrichtung 3 zwischen den Registern 11, 12 durch die Schalteinheit 13 umgeschaltet werden. Der in 1 dargestellte Schalter der Schalteinheit 13 ist lediglich eine symbolische Repräsentation. Die Schalteinheit 13 kann beispielsweise als Programmmodul oder als ein integrierter Schaltkreis oder als ein Teil eines integrierten Schaltkreises realisiert sein.
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Die Leistungselektronik 8, die Register 11, 12 und die Schalteinheit 13 sind Bestandteil einer Steuereinrichtung CNTL der Treibervorrichtung 2.
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In 1 ist eine Betriebssituation dargestellt, in welcher die Schrittweitenangabe S1 des Registers 11 aktiv ist, sodass die Schrittweite S der Schrittweitenangabe S1 entspricht. Entsprechend kann das Auswahlsignal 14 einen Spannungspegel LO aufweisen, durch welchen die Schalteinrichtung 13 auf das Register 11 gestellt ist. Die Drehzahl n wird dann durch die Taktrate f1 der Prozessoreinrichtung 3 festgelegt. Die Taktrate f1 kann auch kontinuierlich verändert werden, beispielsweise vergrößert oder verkleinert, um hierdurch den Schrittmotor 1 zu beschleunigen oder zu verlangsamen, also die Drehzahl n zu vergrößern oder zu verkleinern.
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Hierbei kann es dann vorkommen, dass die Taktrate f1 zu groß oder zu klein wird, um von der Prozessoreinrichtung 3 beispielsweise über einen Timer-Interrupt effizient erzeugt werden zu können. Bei zu geringer Taktrate riskiert man eine ruckende Bewegung, welche z.B. sichtbar werden kann. Auch können Resonanzen auftreten. Daher ist eine Umschaltung der Schrittweite S bei drehendem Schrittmotor 1 ermöglicht.
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Hierzu wird zunächst in einer Betriebsphase P1 in der beschriebenen Weise an der Auswahlelektrode STEP das Auswahlsignal 14 zum Auswählen des Registers 11, also mit dem Signalpegel LO, erzeugt und an der Taktleitung 5 das Taktsignal 9 mit den aufeinanderfolgenden Takten 10 zum Einstellen der Drehzahl n mit der Taktrate f1 erzeugt. Über den Kommunikationsbus 4 können dann Kommunikationsdaten 15 mit einer Schrittweitenangabe S2 einer größeren oder einer kleineren Schrittweite von der Prozessoreinrichtung 3 hin zur Treibervorrichtung 2 übertragen werden. Durch die Konfigurationsdaten 15 kann auch ein Zielregister angegeben sein, in welches die Schrittweitenangabe S2 gespeichert werden soll. Es kann auch durch die Steuereinrichtung CNTL immer das nicht-ausgewählte Register als das Zielregister vorgegeben sein. Optional kann durch ein Rücklesesignal 16 das erfolgreiche Speichern signalisiert werden. Dem Interrupt kann z.B. per Semaphore mitgeteilt werden, dass die Treibervorrichtung 2 vorbereitet wurde, um zur Schrittweite gemäß der Schrittweitenangabe S2 zu wechseln. Hierdurch ist eine Konfigurationsphase P2 abgeschlossen.
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In einer Wechselphase P3 wird dann innerhalb eines Timer-Interrupts 17 die Schalteinheit 13 durch Ändern des Auswahlsignals 14 umgeschaltet. Es kann also von dem Pegel LO auf einen Pegel HI umgeschaltet werden. Hierdurch wird dann die Schrittweite S gemäß der in dem Register 12 gespeicherten Schrittweitenangabe S2 eingestellt. In dem selben Interrupt 17 wird das Taktsignal 9 von der Taktrate f1 auf die Taktrate f2 umgeschaltet, also die Taktrate beispielsweise halbiert oder verdoppelt. Die Drehzahl n ergibt sich somit zu n = f1 * S1 bzw. n = f2 * S2. Die gewechselte Schrittweite S und die geänderte Taktrate f2 ergeben dabei zusammen z.B. die gleiche Drehzahl n wie unmittelbar vor dem Interrupt 17. Zumindest kann eine Drehzahländerung unter einem vorgebbaren Höchstwert gehalten werden. Somit wird der Wechsel der Schrittweite S von der Schrittweitenangabe S1 zur Schrittweitenangabe S2 ohne eine Veränderung der Drehzahl n durchgeführt. Damit läuft der Schrittmotor 1 kontinuierlich durch.
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Damit kann in einer nachfolgenden Betriebsphase P4 der Schrittmotor 1 mit der Taktrate f2 und mit der Schrittweite S gemäß der Schrittweitenangabe S2 weiterbetrieben werden. Beispielsweise kann also nun die Drehzahl n weiter vergrößert oder verkleinert werden und hierbei beispielsweise eine Interruptrate der Prozessoreinrichtung 3 in einem Intervall vorbestimmter oder erwünschter Interruptraten gehalten werden.
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Insgesamt ist somit realisierbar, dass eine Vorwahl des nächsten Schrittmodus, das heißt der nächsten Schrittweite, per Kommunikationsbus 4 und eine anschließende Umschaltung durch eine physikalische Leitung oder einen physikalischen Pin der Auswahlelektrode STEP erfolgt. Die Notwendigkeit der Umschaltung (größerer oder auch kleinerer Schritt pro Puls oder Takt 10) ist vor der Notwendigkeit der Umschaltung bekannt, sodass die entsprechenden Konfigurationsdaten 15 auch über mehrere Interrupts hinweg übertragen werden können.
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Die beschriebene Lösung nutzt also zwei Modusregister oder kurz Register 11, 12 und das Auswählen aus diesen Registern 11, 12 über eine elektrische Auswahlleitung 6 an einer Auswahlelektrode STEP (Pegel LO = Register 11 und Pegel HI = Register 12, um eine beispielhafte Verschaltung zu nennen). Durch entsprechendes rechtzeitiges Setzen des jeweiligen Registers 11, 12 ist es ohne Probleme möglich, beliebig zwischen den möglichen Schrittweiten oder Schrittmodi zu wechseln.
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Genauso kann nun umgekehrt in dem Register 11 eine neue Schrittweitenangabe S1 mittels der Kommunikationsdaten 15 eingestellt werden und wieder zurück zum Register 11 durch entsprechendes Ändern des Auswahlsignals 14 zurückgewechselt werden.
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Ein beliebiges Springen zwischen den Schrittweiten oder Schrittmodi ist somit möglich. Besonders ist es vorteilhaft möglich, in einem unteren Drehzahlbereich für die Drehzahl n und damit einer entsprechenden Interruptfrequenz (zum Beispiel 500 Hz bis 2 000 Hz und insbesondere 500 Hz bis 1 000 Hertz) die nächst-kleinere Schrittweite als entsprechende Schrittweitenangabe S1, S2 in dem jeweils nicht-aktiven Register vorzuhalten und in einem oberen Drehzahlbereich und damit einem oberen Bereich der Interruptfrequenz (zum Beispiel 1 500 Hz bis 2 000 Hz) die nächst-größere Schrittweite als entsprechende Schrittweitenangabe in dem nicht-ausgewählten Register zu speichern oder vorzuhalten.
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Eine beispielhafte Betriebsstrategie kann z.B. drei Intervalle oder Bereiche für die Taktrate vorsehen. Als bevorzugtes, konkretes Beispiel kann das Verfahren dafür sorgen, dass abhängig von der Frequenz des Taktsignals (
NXT) das Register
S2 und der Pin
STEP - nach Abschluss von Betriebsphase P2 - die folgenden Werte aufweist:
| 1 | 2 | 3 |
| 0..375 Hz | 375..1000 Hz | 1000..1500 Hz |
| 31 aktiv | S1 aktiv | S1 aktiv |
| S2 = S1 - 1 | S2 = S1 | S2 = S1 + 1 |
S1 aktiv heißt STEP = LO.
S1 +/- 1 meint: S1 +/- eine Schrittweitenstufe.
Bereich 1: Vorbereiten auf nächstkleinere Schrittweite. Bereich 2: Beide Register gleicher Inhalt, damit ein eventueller Glitch am STEP-Pin keine Auswirkung hat.
Bereich 3: Vorbereiten auf nächstgrößere Schrittweite 1500... Höchsttaktrate.
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Der Bereich 2 erhöht die Sicherheit im Betrieb und ist eine bevorzugte Implementierung. Die meiste Zeit befindet man sich im Bereich 2. Somit ist es also unwahrscheinlich, dass es durch ein Störsignal auf STEP zu Problemen wegen unerwartetem Umschalten kommt. Die Taktratenangaben sind hierbei als beispielhaft zu betrachten.
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Ein Herunterschalten aus Bereich 3 ergibt dann 1500 Hz -> 750 Hz und liegt damit in der Mitte von Bereich 2. Ein Hochschalten aus Bereich 1 ergibt dann 375 Hz -> 750 Hz und liegt damit ebenfalls in der Mitte von Bereich 2. Ist die Umschaltung erfolgt, wird S1 und S2 gleichgestellt. Damit kann man STEP wieder auf LO stellen und ist somit bereit für das nächste Mal, d.h. im Bereich 2 wird die Auswahlleitung und damit der STEP-Pin immer Low LO gehalten (einfacher zu implementieren) und das zweite Register 12 wird neu gesetzt. Dieser Programmteil kann in einem Task (d.h. nicht im Interrupt) laufen. Eventuell braucht man wieder ein Semaphor, um dem Interrupt mitzuteilen, dass alles wieder im Normalzustand ist. Nachdem man sich nun in der Mitte von Bereich 2 befindet, steht genug Zeit zur Verfügung, um die nächste Umschaltung vorzubereiten.
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Etwas komplizierter wird es, wenn man zwischen der Nutzung von S1 und S2 hin- und her-pendelt. Es gibt also zwei Bereiche 2 (quasi 2a und 2b) . Hier muss man immer beachten, welches Register gerade aktiv ist und welches danach aktiv sein wird.
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Zum Einstellen der Schrittweitenangaben S1, S2 in den Registern 11, 12 ist der ohnehin bereitgestellte Kommunikationsbus 4 nutzbar. Zum Wechseln zwischen den Registern 11, 12 ist lediglich eine einzelne zusätzliche, das heißt eine eindrahtige Auswahlleitung und ein einzelner Pin STEP notwendig. Entsprechend kann beispielsweise auf einer Leiterplatte der Treibervorrichtung 2 die verbleibende Oberfläche als Massefläche verwendet werden oder es können zusätzliche Kupferflächen aufgebracht werden, die zum Entwärmen genutzt werden können. Entsprechendes gilt auch für die Realisierung der Treibervorrichtung 2 als integrierter Schaltkreis.
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Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung eine zeitkritische Übertragung von Schrittmodus-Information für einen Schrittmotortreiber vereinfacht werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schrittmotor
- 2
- Treibervorrichtung
- 3
- Prozessoreinrichtung
- 4
- Kommunikationsbus
- 5
- Taktleitung
- 6
- Auswahlleitung
- 7
- Kommunikationseinrichtung
- 8
- Leistungselektronik
- 9
- Taktsignal
- 10
- Takt / Schritt
- 11
- Register für S1
- 12
- Register für S2
- 13
- Schalteinheit
- 14
- Auswahlsignal
- 15
- Konfigurationsdaten
- 16
- Rücklesesignal
- 17
- Interrupt
- CNTL
- Steuereinrichtung
- f1
- Taktrate
- f2
- Taktrate
- HI
- Spannungspegel
- LO
- Spannungspegel
- n
- Drehzahl
- NXT
- Taktelektrode
- P1...P4
- Betriebsphase
- S
- Aktuelle Schrittweite
- S1
- Schrittweitenangabe
- S2
- Schrittweitenangabe
- STEP
- Auswahlelektrode
