DE102017116182A1

DE102017116182A1 - Method for operating a stepper motor

Info

Publication number: DE102017116182A1
Application number: DE102017116182.1A
Authority: DE
Inventors: Takayuki Matsui; Kazuo Takada; Christian Voegerl; Martin Winker; Klaus Walter; Armin Koger
Original assignee: MinebeaMitsumi Inc
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2017-07-18
Filing date: 2017-07-18
Publication date: 2019-01-24

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines zweiphasigen, bipolaren Schrittmotors (1), bei dem der Schrittmotor (1) in einer Startphase (9) im Synchronbetrieb und mit einem elektronischen Teilungsfaktor ST der Schrittteilung größer als Eins angefahren und dabei beschleunigt wird, wobei in einer an die Startphase (9) anschließenden Beschleunigungsphase (13) der Schrittmotor (1) im Synchronbetrieb, mit einem elektronischen Teilungsfaktor ST der Schrittteilung gleich Eins, auf eine Übergangsdrehzahl weiter beschleunigt wird und wobei in einer an die Beschleunigungsphase (13) anschließenden Betriebsphase (15) der Schrittmotor (1) elektronisch kommutiert wird und die Kommutierungszeitpunkte anhand der in der jeweils unbestromten Phasenwicklung induzierten gegenelektromotorischen Kraft bestimmt werden.

Method for operating a two-phase, bipolar stepping motor (1), in which the stepping motor (1) in a start phase (9) in synchronous operation and with an electronic division factor ST of the step division greater than one approached and thereby accelerated, in one to the start phase (9) subsequent acceleration phase (13) of the stepping motor (1) in synchronous operation, with an electronic division factor ST of the step division equals one, is further accelerated to a transition speed and wherein in a subsequent to the acceleration phase (13) operating phase (15) of the stepping motor ( 1) is electronically commutated and the commutation times are determined based on the induced in the respective non-energized phase winding counterelectromotive force.

Description

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines Schrittmotors.The invention describes a method for operating a stepper motor.

In Stellantrieben, bei denen ein Stellglied nur zwischen zwei Endpositionen bewegt werden muss, kann ein solcher Schrittmotor wie ein bürstenloser Gleichstrommotor angesteuert werden. Der Vorteil dabei ist, dass ein solcher Schrittmotor wesentlich einfacher aufgebaut ist, als ein dreiphasiger elektronisch kommutierter Gleichstrommotor (BLDC). Er ist daher wesentlich einfacher und kostengünstiger in der Herstellung.In actuators, where an actuator only has to be moved between two end positions, such a stepper motor can be controlled like a brushless DC motor. The advantage of this is that such a stepper motor is constructed much simpler, as a three-phase electronically commutated DC motor (BLDC). It is therefore much easier and cheaper to manufacture.

Für einfache Stellantriebe oder Antriebsmotoren, bei denen die mechanischen und elektrischen Eigenschaften dem Preis untergeordnet sind, können solche Schrittmotoren beispielsweise als Klauenpolmotoren ausgebildet sein. Elektrisch kann der Schrittmotor beispielsweise zweiphasig, bipolar ausgebildet sein. Zur Ansteuerung ist dann wie bei einem BLDC-Motor eine Ansteuerelektronik notwendig, die eine elektronische Kommutierung der beiden Motorwicklungen steuert.For simple actuators or drive motors, in which the mechanical and electrical properties are subordinate to the price, such stepper motors may be designed, for example, as claw pole motors. Electrically, the stepper motor may be formed, for example, two-phase, bipolar. To control a drive electronics is then necessary as in a BLDC motor, which controls an electronic commutation of the two motor windings.

Solche Schrittmotoren sind im Stand der Technik hinreichend bekannt. Wie auch bei BLDC Motoren kann zum Feststellen der Kommutierungszeiten ein oder mehrere Lagesensoren vorhanden sein. Um auch die Kosten der Lagesensoren zu sparen, ist es auch bekannt den Motor sensorlos zu kommutieren. Dabei ist es bekannt die Kommutierungszeiten anhand der gegenelektromotorischen Kraft (BEMF) zu bestimmen. Als gegenelektromotorische Kraft wird die in den Phasenwicklungen aufgrund der Drehbewegung des Rotormagneten induzierte Spannung bezeichnet. Zur Bestimmung der BEMF wird in einer nicht bestromten Phasenwicklung die induzierte Spannung gemessen, wobei die Kommutierungszeitpunkte anhand der Nulldurchgänge der ermittelten BEMF bestimmt werden.Such stepper motors are well known in the art. As with BLDC motors, one or more position sensors can be used to determine the commutation times. In order to save the cost of the position sensors, it is also known to commutate the motor sensorless. It is known to determine the commutation times on the basis of the counter electromotive force (BEMF). The counterelectromotive force is the voltage induced in the phase windings due to the rotation of the rotor magnet. To determine the BEMF, the induced voltage is measured in a non-energized phase winding, wherein the commutation times are determined on the basis of the zero crossings of the determined BEMF.

Das Problem besteht nun darin, dass in der unbestromten Wicklung eine Spannung nur induziert wird, wenn sich der Rotor des Motors bereits dreht. Steht der Motor still und soll angefahren werden, stehen daher keine Kommutierungsinformationen zur Verfügung.The problem now is that in the de-energized winding a voltage is only induced when the rotor of the motor is already rotating. If the engine is at a standstill and should be approached, no commutation information is available.

Zum Starten des Motors kann eine vorgegebene Bestromung der Phasenwicklungen verwendet werden. Die Schrittfrequenz darf dabei jedoch nur so groß gewählt sein, dass der Rotor dem Wechselfeld der Statoren auch folgen kann. Der Rotor wird in einer solchen Startphase auf die durch die Schrittfrequenz vorgegebene Startdrehzahl angefahren. Die Motorspannung ist in dieser Startphase über eine Pulsweitensmodulation (PWM) geregelt.To start the motor, a predetermined energization of the phase windings can be used. However, the step frequency may only be chosen so large that the rotor can also follow the alternating field of the stators. The rotor is approached in such a start phase to the predetermined by the step frequency start speed. The motor voltage is regulated in this starting phase via a pulse width modulation (PWM).

Prinzipiell wird die BEMF in der unbestromten Wicklung gemessen, was ab einer Drehzahl von ungefähr 600 min^-1 zuverlässig möglich ist. Die Startdrehzahl sollte daher über dieser unteren Grenze liegen.In principle, the BEMF is measured in the currentless winding, which is reliably possible from a speed of about 600 min ^-1 . The starting speed should therefore be above this lower limit.

Wird der Motor jedoch mit einer zu hohen Startdrehzahl gestartet, kann der Rotor nicht folgen und bleibt unter Umständen einfach stehen oder dreht in die entgegengesetzte Richtung.However, if the engine is started at too high a starting speed, the rotor can not follow and may simply stop or rotate in the opposite direction.

Diese obere Grenze der Startdrehzahl hängt nun von der Anzahl der Rotorpole und weiteren Faktoren ab. Es ist also durchaus möglich, dass die obere Grenze unterhalb der 600 min^-1 liegt. Der Motor kann dann zwar gestartet werden, er dreht aber zu langsam um Kommutierungssignale für einen sensorlosen Betrieb, beispielsweise im sogenannten Autospeed-Modus, anhand der BEMF zu ermitteln. Das Starten des Motors mit dieser Methode ist im Stand der Technik nicht zuverlässig möglich. Es müssen dann Kompromisse am mechanischen Aufbau gefunden werden, um die mögliche Startdrehzahl zu erhöhen.This upper limit of the starting speed now depends on the number of rotor poles and other factors. So it is quite possible that the upper limit is below 600 min ^-1 . The motor can then be started, but it turns too slowly to determine commutation signals for a sensorless operation, for example in the so-called autospeed mode, using the BEMF. Starting the engine with this method is not reliably possible in the prior art. It must then be found compromises on the mechanical structure to increase the possible starting speed.

Ein weiteres Problem stellt der Zeitpunkt dar, in dem auf den Regelbetrieb umgeschaltet wird. Die Wicklungen der beiden Motorphasen können im Stator übereinanderliegen. Die PWM führt dadurch zu einem übersprechen der Wechselsignale auf die unbestromte Wicklung. Dieses Übersprechen verhindert ein zuverlässiges Erkennen und Messen der eigentlichen BEMF.Another problem is the time when switching to normal operation. The windings of the two motor phases can be superposed in the stator. As a result, the PWM leads to a crosstalk of the alternating signals to the non-energized winding. This crosstalk prevents reliable detection and measurement of the actual BEMF.

Im Stand der Technik ist es daher bislang üblich, nach der Startphase kurzzeitig beide Wicklungen vom Strom zu trennen, um die induzierte Spannung in einer der Wicklungen zu messen. Während dieser Zeit wird der Motor jedoch gebremst, da keine antreibende Kraft sondern nur noch die bremsende BEMF wirkt.In the prior art, therefore, it has been customary for a short time to disconnect both windings from the current after the starting phase in order to measure the induced voltage in one of the windings. During this time, however, the engine is braked because no driving force but only the braking BEMF acts.

Insgesamt ist daher im Stand der Technik ein schnelles und sicheres Anfahren eines elektronisch kommutierten zweiphasigen Synchronmotors schwierig.Overall, therefore, a fast and safe starting of an electronically commutated two-phase synchronous motor is difficult in the prior art.

Aufgabe der Erfindung ist es daher ein besseres und effizienteres Verfahren zum Betreiben eines solchen Schrittmotors, insbesondere zum Anfahren, zu schaffen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.The object of the invention is therefore to provide a better and more efficient method for operating such a stepping motor, in particular for starting. This object is achieved by a method having the features of the main claim.

Das erfindungsgemäße Verfahren unterteilt den Betrieb des Schrittmotors in drei Phasen. Der Schrittmotor wird in einer Startphase im Synchronbetrieb, mit vorgegebener Bestromung der Phasenwicklungen, angefahren. Dabei ist der elektronische Teilungsfaktor ST der Schrittteilung größer als Eins. Der elektronische Teilungsfaktor ST definiert einen Schrittwinkel Φ_ST = Φ₀/ST, wobei Φ₀ der Schrittwinkel für einen Vollschritt ist. Über n = 360°/Φ₀ ergibt sich die Anzahl k an Vollschritten für eine vollständige Umdrehung des Rotors.The method according to the invention divides the operation of the stepping motor into three phases. The stepper motor is approached in a start phase in synchronous mode, with predetermined energization of the phase windings. In this case, the electronic division factor ST of the step division is greater than one. The electronic division factor ST defines a step angle Φ _ST = Φ ₀ / ST, where Φ _{0 is} the step angle for a full step. Over n = 360 ° / Φ ₀ , the number k of full steps results for a complete revolution of the rotor.

Der Schrittmotor wird in der Startphase, also im Schrittbetrieb, beispielsweise im Halbschrittbetrieb (ST=2) oder im Mikroschrittbetrieb (ST >> 1), angesteuert. Vorzugsweise wird der Schrittmotor während der Startphase auch mit einer Stromregelung betrieben. Die Schrittfrequenz ist in der Startphase vorzugsweise konstant, weshalb der Schrittmotor in dieser Phase dann auf eine konstante Startdrehzahl beschleunigt wird. Diese Startdrehzahl ist so gewählt, dass der Rotor zuverlässig dem erzeugten Drehfeld folgen kann, also mitgenommen wird. Bei einer zu großen Startdrehzahl kann es nämlich auch vorkommen, dass der Rotor stehen bleibt. Ebenso kann während der Startphase eine stetige Beschleunigung vorgesehen sein, so dass die Drehzahl im Verlauf über die Zeit monoton steigend ist. Beispielsweise kann die Drehzahl während der Startphase linear erhöht werden. Manche Ausgestaltungen der Erfindung umfassen daher zwei oder mehrere Startphasenabschnitte, wobei in jedem Startphasenabschnitt die Schrittfrequenz konstant ist und beim Übergang von einem vorangehenden auf einen folgenden Startphasenabschnitt erhöht wird.The stepping motor is controlled in the starting phase, ie in step mode, for example in half-step mode (ST = 2) or in micro-step mode (ST >> 1). Preferably, the stepper motor is also operated during the starting phase with a current control. The step frequency is preferably constant in the starting phase, which is why the stepping motor is then accelerated to a constant starting speed in this phase. This starting speed is chosen so that the rotor can reliably follow the generated rotating field, so it is taken. If the starting rpm is too high, it can also happen that the rotor stops. Likewise, a steady acceleration can be provided during the starting phase, so that the rotational speed is monotonically increasing over time. For example, the speed during the starting phase can be increased linearly. Some embodiments of the invention therefore comprise two or more start phase sections, wherein in each start phase section the step frequency is constant and is increased in the transition from a preceding to a start phase sequence.

Da im Stillstand des Schrittmotors noch keine Nulldurchgänge der gegenelektromotorischen Kraft für eine sensorlose Kommutierung vorliegen, ermöglicht die Vorgabe einer vorgegebenen Bestromung der Phasenwicklungen im Synchronbetrieb ein sicheres Starten des Schrittmotors. In der Startphase ist vorzugsweise zudem eine Stromregelung vorgesehen, so dass der Schrittmotor unabhängig von seiner mechanischen Last am Abtrieb immer dieselbe Startdrehzahl erreicht. Zusätzlich oder alternativ zur Stromregelung kann eine Strombegrenzung vorgesehen sein. Dadurch kann beispielsweise eine Beschädigung der Steuerelektronik bei einem Lastsprung oder einem Defekt des Schrittmotors oder eines durch den Schrittmotor angetriebenen Stellsystems verhindert werden kann.Since there are no zero crossings of the counter-electromotive force for a sensorless commutation at standstill of the stepping motor, the specification of a predetermined energization of the phase windings in synchronous operation enables safe starting of the stepping motor. In the start phase, a current control is preferably also provided so that the stepper motor regardless of its mechanical load at the output always reaches the same starting speed. In addition or as an alternative to current regulation, a current limitation can be provided. As a result, for example, damage to the control electronics in the event of a load jump or a defect of the stepping motor or of an actuating system driven by the stepper motor can be prevented.

An die Startphase schließt sich eine Beschleunigungsphase an, in der der Schrittmotor im Vollschrittbetrieb mit vorgegebener Schrittfrequenz, vorzugsweise mit voller Spannung, auf eine Übergangsdrehzahl beschleunigt wird. In manchen Ausgestaltungen der Erfindung wird die Stromregelung während der Beschleunigungsphase deaktiviert und es erfolgt ein Schrittwechsel, wobei an der gerade bestromten Phasenwicklung immer das Spannungspotential der vollen Betriebsspannung des Motors anliegt. Der Motor beschleunigt dadurch auf seine Nenndrehzahl. Alternativ kann jedoch auch eine Pulsweitenmodulation vorgesehen sein, beispielsweise mit einem Tastgrad der gleich oder größer als der Tastgrad während der Startphase ist. Aufgrund der Beschleunigung wird die Schrittfrequenz im Verlauf der Beschleunigungsphase erhöht. So kann eine lineare oder eine andere Beschleunigung erzielt werden. Beispielsweise kann die Schrittfrequenz kontinuierlich oder schrittweise erhöht werden.The start phase is followed by an acceleration phase, in which the stepping motor is accelerated in full-step mode at a predetermined step frequency, preferably at full voltage, to a transition speed. In some embodiments of the invention, the current control is deactivated during the acceleration phase and there is a step change, wherein at the currently energized phase winding always the voltage potential of the full operating voltage of the motor is applied. The motor accelerates to its rated speed. Alternatively, however, a pulse width modulation may also be provided, for example with a duty factor which is equal to or greater than the duty cycle during the startup phase. Due to the acceleration, the step frequency is increased during the acceleration phase. So a linear or another acceleration can be achieved. For example, the step frequency can be increased continuously or stepwise.

In einer an die Beschleunigungsphase anschließenden Betriebsphase wird der Schrittmotor mit sensorloser Kommutierung betrieben. Die Kommutierungssignale werden dabei vorzugsweise aus den Nulldurchgängen der gegenelektromotorischen Kraft abgeleitet.In an operating phase following the acceleration phase, the stepper motor is operated with sensorless commutation. The commutation signals are preferably derived from the zero crossings of the counterelectromotive force.

Prinzipiell kann der Wechsel zwischen den einzelnen Betriebsphasen nach mehreren Kriterien erfolgen. Die Startphase kann beispielsweise eine vorgegebene Zeit dauern oder eine vorgegebene Anzahl an Vollschritten, Halbschritten oder Mikroschritten aufweisen.In principle, the change between the individual operating phases can take place according to several criteria. The start phase may for example last a predetermined time or have a predetermined number of full steps, half steps or micro steps.

In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung werden in der Startphase eine vorgegebene Anzahl an mechanischen Vollschritten ausgeführt. Ein mechanischer Vollschritt tritt im Vollschrittverfahren beim Umschalten des Stromes von einer Phasenwicklung auf die nächste Phasenwicklung auf. Zweckmäßigerweise werden ein halber bis zehn, vorzugsweise ein bis sechs Vollschritte ausgeführt. Die Länge der Startphase kann dabei auch anhand von Teilschritten bemessen sein und eine unvollständige Anzahl an Vollschritten umfassen.In an advantageous embodiment of the invention, a predetermined number of mechanical full steps are performed in the starting phase. A full mechanical step occurs in the full-step process when switching the current from one phase winding to the next phase winding. Conveniently, half to ten, preferably one to six full steps are performed. The length of the start phase can also be dimensioned based on sub-steps and include an incomplete number of full steps.

Die Stromregelung sorgt für ein Anfahren mit der vorgegebenen Startdrehzahl. Dabei kann der Schrittmotor prinzipiell mit einem beliebigen Teilungsfaktor ST der Schrittteilung, etwa mit Vollschritten, Halbschritten oder Mikroschritten, angesteuert werden.The current control ensures starting at the specified starting speed. In this case, the stepping motor can in principle be controlled with an arbitrary division factor ST of the step division, for example with full steps, half steps or microsteps.

Besonders vorteilhaft ist es aber, wenn in der Startphase der Motorstrom so geregelt wird, dass sich ein im Wesentlichen sinusförmiger Stromverlauf ergibt. Ein Sinusförmiger Stromverlauf entspricht einem Mikroschrittbetrieb, mit einer Schrittteilung ST >> 1. Dabei wird der Strom in den beiden Phasenwicklungen jeweils auf eine Sinusform oder angenäherte Sinusform geregelt, wobei die beiden Phasenwicklungen eine Phasenverschiebung einer viertel Periode des Sinus aufweisen. Der sinusförmige Stromverlauf sorgt für ein langsames Ansteigen des Magnetfeldes in den Phasenwicklungen und erleichtert somit das Anlaufen des Rotors aus dem Stillstand. Auf dies Weise kann der Rotor dem elektromagnetischen Feld der Statoren leichter folgen. Des Weiteren kann durch den Mikroschrittbetrieb ein geräuscharmer Betrieb des Schrittmotors ermöglicht werden.However, it is particularly advantageous if, during the starting phase, the motor current is controlled in such a way that a substantially sinusoidal current profile results. A sinusoidal current waveform corresponds to a microstep operation, with a step division ST >> 1. In this case, the current in the two phase windings is respectively regulated to a sinusoidal shape or approximated sinusoidal shape, wherein the two phase windings have a phase shift of a quarter period of the sine. The sinusoidal current curve ensures a slow increase of the magnetic field in the phase windings and thus facilitates the start of the rotor from standstill. In this way, the rotor can more easily follow the electromagnetic field of the stators. Furthermore, a low-noise operation of the stepping motor can be made possible by the microstep operation.

Eine zweckmäßige Ausführung der Erfindung sieht dann vor, dass die Umschaltung von der Startphase in die Beschleunigungsphase nach einer vorgegebenen Anzahl an mechanischen Vollschritten oder Teilschritten erfolgt. Beim Wechsel in die Beschleunigungsphase erfolgt auch ein Wechsel von dem Schrittbetrieb mit einer Schrittteilung ST > 1 zu einem Vollschrittbetrieb. Das bedeutet, dass immer nur eine der beiden Phasenwicklungen bestromt ist. Vorzugsweise erfolgt dabei auch ein Übergang von einer Stromregelung mittels einer Pulsweitenmodulation zu einem Betrieb ohne Pulsweitenmodulation, wobei die volle Spannung an eine Wicklung angelegt wird. An expedient embodiment of the invention then provides that the switchover from the starting phase into the acceleration phase takes place after a predetermined number of mechanical full steps or partial steps. When changing over to the acceleration phase, there is also a change from the step mode with a step division ST> 1 to a full-step mode. This means that only one of the two phase windings is energized. Preferably, a transition from a current control by means of a pulse width modulation to an operation without pulse width modulation, wherein the full voltage is applied to a winding.

Erfolgt der Wechsel in die Beschleunigungsphase, wenn der Absolutbetrag des Stroms in dieser Wicklung zuvor abnehmend war, kann dies negative Auswirkungen haben, etwa Geräuschentwicklung oder Beschädigungen. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn der Absolutbetrag des Stroms in der geschalteten Wicklung, also in der während der Beschleunigungsphase zuerst bestromten Wicklung, zuvor zunehmend war. Beispielsweise ist es vorteilhaft, wenn der Absolutbetrag des Stroms bereits über die Hälfte des maximalen Stromes angestiegen ist. Somit übernimmt zu Beginn der Beschleunigungsphase diejenige Phasenwicklung, die am Ende der Startphase am Rotor das größere Drehmoment bewirkt.If the change to the acceleration phase, if the absolute value of the current in this winding was previously decreasing, this can have negative effects, such as noise or damage. In particular, it is advantageous if the absolute value of the current in the switched winding, ie in the winding which was first energized during the acceleration phase, was previously increasing. For example, it is advantageous if the absolute value of the current has already risen above half of the maximum current. Thus takes over at the beginning of the acceleration phase that phase winding, which causes the larger torque at the end of the starting phase on the rotor.

Die Stromregelung kann auf verschiedene Arten erfolgen. Es kann beispielsweise eine regelbare Spannungsquelle vorhanden sein, die eine änderbare Dauerspannung liefert. Dies kann beispielsweise durch Transformatoren oder Spannungsregler erfolgenThe current regulation can be done in different ways. For example, there may be a controllable voltage source that provides a variable continuous voltage. This can be done for example by transformers or voltage regulator

In einer kostengünstigeren und einfacheren Ausführung erfolgt die Stromregelung über eine Pulsweitenmodulation der Phasenspannungen. Auf diese Weise ist nur eine Betriebsspannung erforderlich.In a less expensive and simpler embodiment, the current regulation takes place via a pulse width modulation of the phase voltages. In this way, only one operating voltage is required.

Zweckmäßigerweise erfolgt in der Beschleunigungsphase ein Vollschrittbetrieb mit einer festgelegten Schrittfrequenz, wobei für die Schrittfrequenz eine Beschleunigung zugrunde gelegt wird. Die Schrittfrequenz erhöht sich also im Verlauf der Beschleunigungsphase. In der Startphase wird der Schrittmotor vorzugsweise mit einer festen, konstanten Schrittfrequenz angefahren. Die Beschleunigungsphase dient nun zum Beschleunigen auf die freie Nenndrehzahl, die der Schrittmotor mit der vollen Betriebsspannung erreicht. Da auch hier noch keine Kommutierungssignale durch die BEMF zur Verfügung stehen, muss auch in der Beschleunigungsphase ein Verlauf der Schrittfrequenz vorgegeben sein. Damit der Schrittmotor beschleunigen kann, muss die Schrittfrequenz erhöht werden.Appropriately, in the acceleration phase, a full-step operation with a predetermined step frequency, wherein the step frequency is based on an acceleration. The step frequency thus increases in the course of the acceleration phase. In the starting phase, the stepper motor is preferably approached with a fixed, constant step frequency. The acceleration phase is now used to accelerate to the free rated speed, which reaches the stepper motor with the full operating voltage. Since there are no commutation signals available through the BEMF, a progression of the step frequency must also be specified in the acceleration phase. For the stepper motor to accelerate, the step frequency must be increased.

Insbesondere zweckmäßig ist es, wenn für die Beschleunigungsphase die Schrittfrequenz kontinuierlich oder schrittweise erhöht wird. Die Erhöhung erfolgt beispielsweise bis zum Erreichen der maximalen Leerlaufdrehzahl. Der zeitliche Verlauf der Schrittfrequenz für die Beschleunigungsphase kann in einer Tabelle hinterlegt sein oder er kann auch während dem Betrieb bestimmt oder berechnet werden. Anstelle der Schrittfrequenz können in der Tabelle auch analoge Parameter, beispielsweise die Zeitpunkte zum Ein- und Ausschalten der Phasenwicklungen, vorgehalten werden.It is particularly expedient if the step frequency is increased continuously or stepwise for the acceleration phase. The increase takes place, for example, until reaching the maximum idle speed. The time profile of the step frequency for the acceleration phase can be stored in a table or it can also be determined or calculated during operation. Instead of the step frequency, analog parameters, for example the times for switching the phase windings on and off, can also be stored in the table.

Dabei ist es beispielsweise möglich, schrittweise und linear die Schrittfrequenz zu erhöhen. Es kann aber auch eine prozentuale Anpassung erfolgen.It is possible, for example, gradually and linearly to increase the step frequency. But it can also be a percentage adjustment.

In der Beschleunigungsphase können, wie auch in der Startphase, eine vorgegebene Anzahl an Vollschritten ausgeführt werden. Es könnten beispielsweise in der Beschleunigungsphase vier oder mehr oder weniger Vollschritte ausgeführt werden. Die Anzahl kann dabei von der gewählten Startdrehzahl der Startphase, von der zu erreichenden Nenndrehzahl und anderen Faktoren abhängen.In the acceleration phase, as in the starting phase, a predetermined number of full steps can be performed. For example, four or more or fewer full steps could be performed in the acceleration phase. The number may depend on the selected starting speed of the starting phase, of the nominal speed to be achieved and other factors.

In einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird jedoch bereits in der Beschleunigungsphase jeweils in der unbestromten Motorwicklung die gegenelektromotorische Kraft gemessen. Da in der Beschleunigungsphase ein Vollschrittbetrieb erfolgt, liegt immer an einer Motorwicklung beispielsweise die volle Betriebsspannung an, während die andere Motorphase unbestromt ist. In der unbestromten Motorwicklung kann daher eine BEMF gemessen werden. In der Beschleunigungsphase erfolgt vorzugsweise keine PWM der Motorspannung, so dass keine Störsignale die Messung stören. In anderen Worten ausgedrückt, wird dann der Tastgrad der PWM während der Beschleunigungsphase gleich eins gewählt. Eine zuverlässige Messung der BEMF ist regelmäßig ab einer Drehzahl von beispielsweise 600 min^-1 möglich. Die Umschaltung zwischen der Beschleunigungsphase in die Betriebsphase erfolgt erfindungsgemäß sobald eine vorgegebene Anzahl gültiger Kommutierungssignale anhand der gegenelektromotorischen Kraft bestimmt wurden. Gültige Kommutierungssignale sind jeweils die Nulldurchgänge der BEMF oder eine daraus abgeleitete Größe.In a particularly advantageous embodiment of the invention, however, the counterelectromotive force is already measured in the acceleration phase in each case in the currentless motor winding. Since a full-step operation takes place in the acceleration phase, the full operating voltage is always applied to one motor winding, for example, while the other motor phase is de-energized. Therefore, a BEMF can be measured in the de-energized motor winding. In the acceleration phase, there is preferably no PWM of the motor voltage, so that no interfering signals interfere with the measurement. In other words, the duty cycle of the PWM is then selected equal to one during the acceleration phase. A reliable measurement of the BEMF is regularly possible from a speed of 600 min ^-1, for example. The switching between the acceleration phase into the operating phase takes place according to the invention as soon as a predetermined number of valid commutation signals were determined on the basis of the counterelectromotive force. Valid commutation signals are each the zero crossings of the BEMF or a quantity derived therefrom.

Insbesondere zweckmäßig ist es, wenn die Umschaltung zwischen der Beschleunigungsphase in die Betriebsphase erfolgt, sobald eine vorgegebene Anzahl aufeinanderfolgender Kommutierungssignale gültig sind. Dies stellt sicher, dass der Schrittmotor eine stabile Drehzahl erreicht hat. Zweckmäßig ist es beispielsweise vier aufeinanderfolgende, gültige Kommutierungssignale abzuwarten. Die Gültigkeit kann beispielsweise geklärt werden, indem geprüft wird, ob die zeitlichen Abstände von zwei oder mehr Nulldurchgängen in einem zu erwartenden Abstand zueinander auftreten.In particular, it is expedient if the switchover between the acceleration phase into the operating phase occurs as soon as a predetermined number of successive commutation signals are valid. This ensures that the stepper motor has reached a stable speed. It is expedient, for example, to wait four consecutive, valid commutation signals. The validity can be clarified, for example, by checking whether the time intervals of two or more zero crossings occur in an expected distance to each other.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist prinzipiell für alle elektronisch kommutierten Gleichstrommotoren geeignet. Insbesondere vorteilhaft ist es jedoch bei preiswerten Stellantrieben, in denen ein zweiphasiger, bipolarer Schrittmotor als Antriebsmotor eingesetzt ist. Diese Motoren sind sehr einfach und kostengünstig aufgebaut. Ein Stellantrieb weist weiterhin eine Ansteuerschaltung mit zwei Vollbrücken zur Ansteuerung der beiden Motorphasen und einen Mikrocontroller auf, der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist.The inventive method is suitable in principle for all electronically commutated DC motors. However, it is particularly advantageous in low-cost actuators in which a two-phase, bipolar stepper motor is used as the drive motor. These motors are very simple and inexpensive. An actuator further has a drive circuit with two full bridges for driving the two motor phases and a microcontroller, which is set up for carrying out the method according to the invention.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.The invention is explained below with reference to a preferred embodiment with reference to the accompanying drawings.

Es zeigt:

1 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 ein Diagramm zur Verdeutlichung der drei verschiedenen Betriebsphasen des erfindungsgemäßen Verfahrens und
3 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Antriebs.

It shows:

1 a flow chart of the method according to the invention,
2 a diagram illustrating the three different operating phases of the method according to the invention and
3 a block diagram of a drive according to the invention.

Die 1 zeigt ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines zweiphasigen, bipolaren Schrittmotors mit sensorloser Kommutierung. Ein solcher Schrittmotor 1 ist im Stand der Technik ausreichend bekannt und beispielhaft in 2 gezeigt. Er weist beispielsweise einen Stator 2 mit zwei getrennten Statorwicklungen 3 und mehreren Statorpolen auf. Insbesondere kann der Stator 2 wie im Beispiel mit Klauenpolen ausgebildet sein, wodurch der Aufbau einfach und kostengünstig ist. Die Statoranordnung 2 der 2 umfasst zwei Klauenpolstatoren mit jeweils einer Ringspule als Statorwicklung 3. Eine erste als Ringspule ausgebildete Statorwicklung 3 ist dabei zwischen einem ersten Klauenpolblech 30 und einem zweiten Klauenpolblech 32 angeordnet, während eine zweite, ebenfalls als Ringspule ausgebildete Statorwicklung 3 zwischen einem dritten Klauenpolblech 34 und einem vierten Klauenpolblech 36 angeordnet ist. Das erste Klauenpolblech 30 und das vierte Klauenpolblech 36 umfassen jeweils einen magnetischen Rückschluss und sind daher in etwa in Form eines Hohlzylinders ausgebildet. Die Klauen sind an einer Stirnseite des Hohlzylinders Richtung dessen Inneren zeigend ausgebildet. Die beiden Klauenpolstatoren sind derart angeordnet, dass das zweite Klauenpolblech 32 und das dritte Klauenpolblech 34 mit ihren den Klauen abgewandten Seiten aneinander liegend positioniert sind. An einem axialen Ende der Statoranordnung ist eine Schnecke 40 als Abtrieb an einer drehgelagerten Welle 38 befestigt. Am gegenüberliegenden Ende ist die Statoranordnung mit einer Abdeckplatte 39 verschlossen, wobei die Abdeckplatte 39 im Beispiel eine Ausnehmung aufweist, in der ein Axiallager und/oder ein Radiallager zur Lagerung der Welle 38 angeordnet sein kann.The 1 shows a flow diagram of the inventive method for operating a two-phase bipolar stepper motor with sensorless commutation. Such a stepper motor 1 is well known in the art and exemplified in 2 shown. He has, for example, a stator 2 with two separate stator windings 3 and several stator poles. In particular, the stator 2 as in the example be formed with claw poles, whereby the structure is simple and inexpensive. The stator arrangement 2 of the 2 comprises two claw pole stators, each with a toroidal coil as a stator winding 3 , A first designed as an annular coil stator winding 3 is between a first Klauenpolblech 30 and a second claw pole sheet 32 arranged while a second, also designed as a toroidal stator winding 3 between a third Klauenpolblech 34 and a fourth claw pole sheet 36 is arranged. The first claw pole sheet 30 and the fourth claw pole sheet 36 each comprise a magnetic yoke and are therefore formed approximately in the form of a hollow cylinder. The claws are formed pointing to an end face of the hollow cylinder in the direction of its interior. The two claw pole stators are arranged such that the second Klauenpolblech 32 and the third claw pole sheet 34 are positioned lying with their sides facing away from the claws. At one axial end of the stator assembly is a worm 40 as output on a rotatably mounted shaft 38 attached. At the opposite end is the stator assembly with a cover plate 39 closed, with the cover plate 39 in the example has a recess in which a thrust bearing and / or a radial bearing for supporting the shaft 38 can be arranged.

Der Rotor 5 weist Magnetpole 6 auf, die durch wenigstens einen Permanentmagneten 7 gebildet sind. Der Schrittmotor kann sowohl als Außenläufer als auch als Innenläufer ausgebildet sein. Das Beispiel zeigt einen sogenannten Innenläufer, bei dem der Rotormagnet 5 auf der drehenden Welle 38 befestigt ist, um die Schnecke 40 anzutreiben.The rotor 5 has magnetic poles 6 on, by at least one permanent magnet 7 are formed. The stepper motor can be designed both as an external rotor and as an internal rotor. The example shows a so-called internal rotor, in which the rotor magnet 5 on the rotating shaft 38 is attached to the snail 40 drive.

Die Erfindung kann bei beliebigen Typen von Schrittmotoren verwendet werden. Insbesondere ist die Erfindung nicht auf eine Ausführung als Klauenpolmotor festgelegt. Beispielsweise kann die Erfindung auch in Verbindung mit genuteten Statoren verwendet werden, beispielsweise mit Schrittmotoren die einen Stator aufweisen, wie er auch in mehrphasigen bürstenlosen Gleichstrommotoren verwendet wird.The invention can be used with any type of stepper motors. In particular, the invention is not limited to a design as claw pole motor. For example, the invention may also be used in conjunction with grooved stators, for example with stepper motors having a stator as used in multiphase brushless DC motors.

Der Start 8 des Schrittmotors 1 aus dem Stillstand erfolgt zunächst in einer Startphase 9. In dieser Startphase 9 wird der Schrittmotor 1 mit einer vorgegebenen Schrittfrequenz auf eine feste Startdrehzahl angefahren. In der Startphase 9 wird genau eine vorgegeben Anzahl k an mechanischen Vollschritten 10 ausgeführt. In dem Diagramm der 3 ist die Startphase 9 in den Zeitabschnitten 1 bis 4 verdeutlicht.The start 8th of the stepper motor 1 from a standstill takes place initially in a starting phase 9 , In this starting phase 9 becomes the stepper motor 1 approached to a fixed starting speed with a predetermined step frequency. In the starting phase 9 is exactly a predetermined number k of mechanical full steps 10 executed. In the diagram of 3 is the starting phase 9 in the time periods 1 to 4 clarified.

Im Beispiel werden genau vier Vollschritte 10 ausgeführt. Es können jedoch auch sechs oder mehr Vollschritte ausgeführt werden. Die Schrittlängen T der einzelnen Vollschritte 10 sind jeweils konstant und gleich lang. Es erfolgt keine Beschleunigung durch die Ansteuerung, der Motor wird auf eine Startdrehzahl beschleunigt. Die Schrittlängen T sind insbesondere so lang gewählt, dass der Rotor dem durch die Spannung 11 induziertem Drehfeld gut folgen kann. Damit ist ein sicherer Start des Motors gewährleistet. Die Startdrehzahl hängt von der Anzahl der Statorpole, der Anzahl der Rotorpole und anderen Parametern ab. Die Startdrehzahl liegt beispielsweise unterhalb von 600 min^-1.In the example, exactly four full steps 10 executed. However, six or more full steps may be performed. The stride lengths T the individual steps 10 are each constant and the same length. There is no acceleration by the control, the engine is accelerated to a starting speed. The stride lengths T are particularly chosen so long that the rotor by the voltage 11 Well-induced spin field can follow well. This ensures a safe start of the engine. The starting speed depends on the number of stator poles, the number of rotor poles and other parameters. The start speed is, for example, below 600 min ^-1.

Zum Anfahren des Motors wird im Beispiel eine Stromregelung verwendet, die den Motorstrom 12 angenähert auf einen sinusförmigen Verlauf regelt. Dazu wird die Motorspannung 11 mit einer Pulsweitenmodulation (PWM) angesteuert, wie am Beispiel der Spannung U_u(t) der U-Phase verdeutlicht. Wie im Diagramm ebenfalls zu sehen ist, entsprechen die vier Vollschritte 10 genau einer ganzen Sinusschwingung des Motorstroms 12. Die Ströme in den beiden Motorwicklungen sind hier um einen Vollschritt gegeneinander versetzt und weisen daher zueinander eine Phasenverschiebung von 90° auf. Die Phasenverschiebung entspricht also einer viertel Periode des sinusförmigen Stromverlaufs.To start the engine, a current control is used in the example, which is the motor current 12 Approximated to a sinusoidal course regulates. This is the motor voltage 11 controlled with a pulse width modulation (PWM), as in the example of the voltage U _u (t) the U phase clarifies. As can also be seen in the diagram, the four full steps correspond 10 exactly one whole sine wave of the motor current 12 , The currents in the two motor windings are here by one full step offset from one another and therefore have a phase shift of 90 ° to each other. The phase shift thus corresponds to a quarter period of the sinusoidal current waveform.

Der Übergang von der Startphase 9 in die Beschleunigungsphase 13 erfolgt vorzugsweise derart, dass die Brückenschalter so geschaltet werden, dass in der Beschleunigungsphase 13 diejenige der Phasenwicklungen U, V zuerst bestromt wird, die vor dem Umschalten das größere Drehmoment erzeugt. Dabei wird das Vorzeichen der angelegten Spannung derart gewählt, dass ein fließender Übergang stattfindet. Es wird also der in der Beschleunigungsphase 13 zuerst bestromten Phase ein Strom aufgeprägt, der das gleiche Vorzeichen hat, wie die Steigung des Stroms dieser Phase vor dem Umschalten. Hat die Steigung des Motorstroms dieser Phase also ein positives Vorzeichen, so dass er ansteigt, wird dieser Phase zu Beginn der Beschleunigungsphase 13 ein positiver Strom aufgeprägt. Liegt hingegen der Fall vor, dass der Motorstrom 12 vor dem Wechsel zur Beschleunigungsphase fallend ist, die Steigung des Motorstroms 12 also negativ ist, wird dieser Phase zu Beginn der Beschleunigungsphase 13 ein negativer Motorstrom 12 aufgeprägt. So kann sichergestellt werden, dass die in der Beschleunigungsphase 13 angelegte Spannung nicht der Drehung entgegen wirkt. Das Umschalten findet vorzugsweise dann statt, wenn der Absolutbetrag |I_U|² des Stroms I_U durch eine erste Phasenwicklung U der beiden Phasenwicklung U, V größer oder gleich dem Absolutbetrag |I_v|² des Stroms I_v durch die zweite Phasenwicklung V ist, wobei der Absolutbetrag |I_U|² unmittelbar vor dem Übergang ansteigt. Die Spannung der in der Beschleunigungsphase 13 zuerst bestromten Phasenwicklung U wird dabei so gewählt, dass sie zu Beginn der Beschleunigungsphase 13 die gleiche Polarität wie am Ende der Startphase 9 aufweist.The transition from the starting phase 9 in the acceleration phase 13 is preferably such that the bridge switches are switched so that in the acceleration phase 13 that of the phase windings U . V first energized, which generates the greater torque before switching. In this case, the sign of the applied voltage is chosen such that a smooth transition takes place. So it's going to be in the acceleration phase 13 first energized a current having the same sign as the slope of the current of that phase before switching. So if the slope of the motor current of this phase has a positive sign, so that it rises, this phase is at the beginning of the acceleration phase 13 a positive current impressed. On the other hand, is the case that the motor current 12 falling before the change to the acceleration phase, the slope of the motor current 12 that is negative, this phase is at the beginning of the acceleration phase 13 a negative motor current 12 impressed. This ensures that they are in the acceleration phase 13 applied voltage does not counteract the rotation. The switching preferably takes place when the absolute value | I _U | ^{2 of} the stream I _U through a first phase winding U the two phase winding U . V greater than or equal to the absolute value | I _v | ^{2 of} the stream I _v through the second phase winding V , where the absolute value | I _U | ^{2 increases} immediately before the transition. The tension in the acceleration phase 13 first energized phase winding U is chosen to be at the beginning of the acceleration phase 13 the same polarity as at the end of the starting phase 9 having.

In der Beschleunigungsphase 13 erfolgt ein synchroner Betrieb, insbesondere ein Vollschrittbetrieb. Das bedeutet, dass immer nur eine Phasenwicklung bestromt ist. Die Spannung weist vorzugsweise keine Pulsweitenmodulation mehr auf, so dass auch im zeitlichen Mittel die volle Spannung 12 an einer Phasenwicklung anliegt. Alternativ kann auch in der Beschleunigungsphase 13 eine Pulsweitenmodulation vorgesehen sein. Die Pulsweitenmodulation kann dann beispielsweise den gleichen oder einen größeren Tastgrad als die Pulsweitenmodulation während der Startphase aufweisen. Ebenso kann es vorgesehen sein, den Tastgrad der Pulsweitenmodulation im Verlauf der Beschleunigungsphase zu erhöhen. Die Schrittlängen T werden im Vollschrittbetrieb der Beschleunigungsphase 13 schrittweise verkürzt, so dass eine Beschleunigung der Drehzahl erfolgt. Die Schrittlängen T oder die Entsprechenden Umschaltzeitpunkte zum Wechseln der Bestromung zwischen den Phasenwicklungen können vorab in einer Tabelle gespeichert sein um dann ausgelesen zu werden. Die Schrittlängen T können jedoch auch jeweils berechnet werden, beispielsweise in Abhängigkeit von den vorhergehenden Schrittlängen. Beispielsweise kann die Schrittlänge jeweils um 10% im Vergleich zum vorherigen Vollschritt verkürzt werden. Oder es kann eine lineare Beschleunigung beabsichtigt sein, so dass eine andere Berechnungsvorschrift verwendet werden kann. In 3 ist die Abfolge der Schrittlängen mit 0,5T und 0,3T angegeben, was jedoch nur exemplarisch zur Verdeutlichung der kontinuierlichen Verkürzung dienen soll. Insbesondere erfolgen in der Beschleunigungsphase 13 auch mehr als die abgebildeten zwei Vollschritte 10. Anstelle der Schrittlänge kann selbstverständlich auch die Schrittfrequenz zu Grunde gelegt werden.In the acceleration phase 13 there is a synchronous operation, in particular a full-step operation. This means that only one phase winding is energized at a time. The voltage preferably has no longer pulse width modulation, so that even in the time average, the full voltage 12 abuts a phase winding. Alternatively, in the acceleration phase 13 be provided a pulse width modulation. The pulse width modulation can then, for example, have the same or a larger duty cycle than the pulse width modulation during the startup phase. Likewise, it may be provided to increase the duty cycle of the pulse width modulation in the course of the acceleration phase. The stride lengths T be in full-step operation of the acceleration phase 13 gradually shortened, so that an acceleration of the speed takes place. The stride lengths T or the corresponding switching times for changing the energization between the phase windings can be stored in advance in a table in order to then be read out. The stride lengths T however, they can also be calculated in each case, for example as a function of the preceding step lengths. For example, the step length can be shortened by 10% compared to the previous full step. Or a linear acceleration may be intended so that a different calculation rule may be used. In 3 is the sequence of stride lengths with 0.5T and 0.3T specified, but this is only to serve as an example to illustrate the continuous shortening. In particular, take place in the acceleration phase 13 also more than the two full steps shown 10 , Instead of the step length, of course, the step frequency can be used as a basis.

Durch die fest vorgegebene Schrittlänge T (beziehungsweise Schrittfrequenz) in der Startphase 9 wird der Rotor in eine Position gezwungen, die nicht unbedingt der natürlichen Position entspricht, die er frei einnehmen würde. Da in der Beschleunigungsphase 13 bereits die volle Spannung anliegt erfolgt nun auch eine Ausrichtung des Rotors in seine natürliche Position im Magnetfeld.Due to the fixed step length T (or step frequency) in the starting phase 9 The rotor is forced into a position that does not necessarily correspond to the natural position that it would freely occupy. Because in the acceleration phase 13 Already the full voltage is applied, the rotor now also aligns with its natural position in the magnetic field.

In der Beschleunigungsphase 13 sind keine Störsignale durch Übersprechen der PWM auf die unbestromte Motorwicklung vorhanden. Es kann hier also bereits ein störfreies BEMF-Signal gemessen werden, sofern die Rotordrehzahl 600 min^-1 überschritten hat. In der Beschleunigungsphase wird daher die BEMF bereits kontinuierlich ausgewertet. In einem Zähl- und Vergleichsschritt 14 wird daher gezählt, wie viele BEMF-Signale gemessen wurden. Sobald eine vorgegebene Anzahl m an gültigen Signalen gemessen wurde, ist davon auszugehen, dass der Schrittmotor sicher gestartet ist und ein normaler Betrieb erfolgen kann. Dabei kann auch überprüft werden, ob die BEMF-Signale in einem erwarteten und/oder plausiblem Abstand zueinander detektiert werden. Im Beispiel endet die Beschleunigungsphase 13 nach vier aufeinanderfolgenden, gültigen BEMF Signalen.In the acceleration phase 13 No interference signals are present due to crosstalk of the PWM to the non-energized motor winding. It can therefore in already without interference BEMF signal are measured, if the rotor speed has exceeded 600 min ^-1. In the acceleration phase, therefore, the BEMF is already evaluated continuously. In a counting and comparing step 14 It therefore counts how many BEMF signals were measured. As soon as a predetermined number m of valid signals has been measured, it can be assumed that the stepper motor has started safely and normal operation can take place. It can also be checked whether the BEMF signals are detected at an expected and / or plausible distance from one another. In the example, the acceleration phase ends 13 after four consecutive valid BEMF signals.

An die Beschleunigungsphase 13 schließt sich die Betriebsphase 15 an, in der die Kommutierung anhand der BEMF-Signale erfolgt, wobei vorzugsweise eine Blockumschaltung erfolgt, ähnlich wie in der Beschleunigungsphase 13. Durch die Beschaltung mit der vollen Spannung stellt sich in der Betriebsphase 15 eine maximale Drehzahl ein, die nicht geregelt wird. Das bedeutet, dass sich die Drehzahl bei Last reduziert. Die Kommutierungsabfolge schließt sich nahtlos an die Schrittfolge der Beschleunigungsphase 13 an.To the acceleration phase 13 closes the operating phase 15 in which the commutation takes place on the basis of the BEMF signals, with block switching preferably taking place, similar to that in the acceleration phase 13 , By wiring with the full voltage turns in the operating phase 15 a maximum speed that is not regulated. This means that the speed is reduced under load. The commutation sequence is seamlessly connected to the sequence of steps of the acceleration phase 13 at.

Die 4 zeigt exemplarisch ein Blockschaltbild eines Antriebs 16 mit einer Ansteuerschaltung 17 und einem Schrittmotor 1 gemäß der Erfindung. Der Schrittmotor 1 weist eine Statorwicklung 3 mit zwei getrennten Phasenwicklungen U, V auf, die jeweils mit einer Vollbrückenschaltung 18 verbunden sind. Die Phasenwicklungen U, V können beispielsweise jeweils eine der in 2 gezeigten Statorwicklungen 3 eines Klauenpolmotors oder eines beliebigen anderen Schrittmotors bilden. Die einzelnen Brückenschalter 19 sind mit einem Mikrocontroller 20 oder einem Motorcontroller verbunden, der die Ansteuerung der Schalter 19 übernimmt. Im Beispiel sind insgesamt zwei Vollbrückenschaltungen 18 mit jeweils vier Brückenschaltern 19 gezeigt. Die in der Figur weiter links angeordnete obere Brückenseiten sind jeweils mit einer Betriebsspannung VCC und die rechts davon angeordneten unteren Brückenseiten jeweils mit einem Masseanschluss GND verbunden.The 4 shows an example of a block diagram of a drive 16 with a drive circuit 17 and a stepper motor 1 according to the invention. The stepper motor 1 has a stator winding 3 with two separate phase windings U . V on, each with a full bridge circuit 18 are connected. The phase windings U . V For example, each one of in 2 shown stator windings 3 a claw pole motor or any other stepping motor. The individual bridge switches 19 are with a microcontroller 20 or a motor controller connected to the control of the switch 19 takes over. In the example, a total of two full bridge circuits 18 each with four bridge switches 19 shown. The upper left in the figure arranged upper bridge sides are each connected to an operating voltage VCC and the right of which arranged lower bridge sides each connected to a ground terminal GND.

In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde also ein Verfahren zum Betreiben eines zweiphasigen, bipolaren Schrittmotors 1 beschrieben, bei dem der Schrittmotor 1 in einer Startphase 9 im Synchronbetrieb mit einem elektronischen Teilungsfaktor ST der Schrittteilung größer als Eins angefahren und dabei beschleunigt wird, wobei in einer an die Startphase 9 anschließenden Beschleunigungsphase 13 der Schrittmotor 1 im Vollschrittbetrieb, mit einem elektronischen Teilungsfaktor ST gleich Eins, auf eine Übergangsdrehzahl weiter beschleunigt wird und wobei in einer an die Beschleunigungsphase 13 anschließenden Betriebsphase 15 der Schrittmotor 1 elektronisch kommutiert wird und die Kommutierungszeitpunkte anhand der gegenelektromotorischen Kraft bestimmt werden.In the embodiment described above, therefore, a method for operating a two-phase, bipolar stepping motor has been described 1 described in which the stepper motor 1 in a starting phase 9 is approached in synchronous operation with an electronic division factor ST of the step division greater than one and thereby accelerated, being in one to the starting phase 9 subsequent acceleration phase 13 the stepper motor 1 in full-step operation, with an electronic division factor ST equal to one, is further accelerated to a transition speed and wherein in one of the acceleration phase 13 subsequent operating phase 15 the stepper motor 1 is commutated electronically and the commutation times are determined by the counter-electromotive force.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Schrittmotorstepper motor
22: Statorstator
33: Statorwicklungstator
55: Rotorrotor
66: Magnetpolmagnetic pole
77: Magnetmagnet
88th: Startbegin
99: Startphasestart-up phase
1010: Vollschrittfull step
1111: Motorspannungmotor voltage
1212: Motorstrommotor current
1313: Beschleunigungsphaseacceleration phase
1414: Zählschrittcounting
1515: Betriebsphaseoperational phase
1616: Stellantriebactuator
1717: Ansteuerschaltungdrive circuit
1818: VollbrückenschaltungFull bridge circuit
1919: Brückenschalterbridge switch
2020: Mikrocontroller/MotorcontrollerMicrocontroller / motor controller
3030: Klauenpolblechclaw pole
3232: Klauenpolblechclaw pole
3434: Klauenpolblechclaw pole
3636: Klauenpolblechclaw pole
3838: Wellewave
3939: Abdeckplattecover
4040: Schneckeslug
TT: Kommutierungszeitcommutation
U,VU, V: Phasenwicklungphase winding

Claims

Method for operating a two-phase, bipolar stepping motor (1) with sensorless commutation, characterized in that the stepper motor (1) is approached in a start phase (9) in synchronous operation and with an electronic division factor ST of the step division greater than one, thereby accelerating that in an acceleration phase (13) subsequent to the start phase (9), the stepping motor (1) is further accelerated in synchronous operation, with an electronic division factor ST of the step division equal to one, to a transition speed and that in an operating phase following the acceleration phase (13) ( 15), the stepping motor (1) is commutated electronically and the commutation times are determined on the basis of the counterelectromotive force induced in the respectively non-energized phase winding.

Method according to Claim 1 , characterized in that the commutation of the phase windings in the operating phase by means of a block switching takes place.

Method according to Claim 1 or 2 , characterized in that the electronic division factor ST of the step division during the start phase (9) is greater than four.

Method according to one of Claims 1 to 3 , characterized in that the stepping motor is operated during the starting phase (9) with a current control.

Method according to Claim 4 , characterized in that in the starting phase (9) of the motor current (12) is controlled so that there is a substantially sinusoidal current profile.

Method according to one of Claims 4 or 5 , characterized in that the Current control via a pulse width modulation of the phase voltages (11).

Method according to one of Claims 1 to 5 , characterized in that the phase windings of the stepping motor are energized alternately constant during the acceleration phase (13) without pulse width modulation.

Method according to one of Claims 1 to 7 , characterized in that the stepping motor during the starting phase (9) is accelerated monotonically increasing.

Method according to one of Claims 1 to 8th , characterized in that in the starting phase (9) a predetermined number (k) of mechanical full steps (10) are performed.

Method according to one of Claims 1 to 9 , characterized in that the transition from the starting phase (9) to the acceleration phase (13) takes place when the absolute value of a current I _U through a first phase (U) is greater than or equal to the absolute value of a current through a second phase (V) is, wherein the absolute value of the current I _{U increases} immediately before the transition.

Method according to one of Claims 1 to 10 , characterized in that in the acceleration phase (13) the full-step operation takes place with a predetermined sequence of step lengths (T), the step lengths (T) shortening over time.

Method according to one of Claims 1 to 11 , characterized in that for the full-step operation of the acceleration phase (13), the step frequency for energizing the phase windings is gradually increased.

Method according to one of Claims 1 to 12 , characterized in that step lengths (T) or the switching times for energizing the phase windings for the acceleration phase (13) are stored in a table, wherein the table is stored in a memory of a microcontroller (20) or other control circuit.

Method according to one of Claims 1 to 13 , characterized in that in the acceleration phase (13) in each case in the energized phase winding, the zero crossings of the counter electromotive force are measured and that the switching between the acceleration phase (13) in the operating phase (15), as soon as a predetermined number (m) at zero crossings of the counter electromotive force were measured.

Method according to one of Claims 1 to 14 , characterized in that the switching between the acceleration phase (13) in the operating phase (15) takes place as soon as the rotor of the stepping motor has reached a predetermined speed.

Actuator (16) with a two-phase, bipolar stepper motor (1), with a drive circuit (17) with two full bridges (18) for driving the two motor phases (3) and a microcontroller (20), for carrying out a method according to one of Claims 1 to 15 is set up.