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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Schrittmotors.
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Bei Schrittmotoren wird bekanntlich ein magnetischer Rotor durch ein gesteuertes, mit statischen Motorspulen erzeugtes und schrittweise rotierendes elektromagnetisches Feld schrittweise um jeweils einen entsprechenden Winkel gedreht.
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Bevorzugt wird dabei der bekannte Mikroschrittbetrieb, bei dem die durch die Motorspulen fließenden Ströme nicht nur ein- und ausgeschaltet werden, sondern in bestimmter Weise ansteigen und abfallen, sodass der Motor mit im Vergleich zum Winkelversatz der Statorspulen wesentlich kleineren Schrittwinkeln gedreht und damit eine hohe Auflösung bzw. Genauigkeit der Positionierung und ein gleichmäßigerer Drehmomentverlauf erzielt werden kann. Die Auflösung und die Gleichmäßigkeit, mit der der Schrittmotor die Mikroschritte ausführt, hängt dabei im Wesentlichen davon ab, mit wie viel verschiedenen Stromamplituden die Motorspulen angesteuert werden und wie genau diese eingehalten werden können. Dabei ist eine sinusförmige bzw. kosinusförmige Erregung der Motorspulen im Allgemeinen am zweckmäßigsten, da damit bei Mikroschritt-optimierten Motoren auch ein sehr kontinuierliches, d. h. ruckfreies Drehen und somit ein ruhiger Motorlauf sowie eine hohe Positionsauflösung erzielt werden kann.
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Zum elektrischen Ansteuern von Schrittmotoren insbesondere im Mikroschrittbetrieb dienen zum Beispiel bekannte Chopper-Verfahren. Dabei sind die Motorspulen vorzugsweise in den Brückenzweig jeweils einer Brückenschaltung aus Halbleiterschaltern geschaltet, wobei die Brückenschaltung zwischen den Polen einer konstanten Versorgungsspannung einer Gleichspannungsquelle liegt. Die Halbleiterschalter (zum Beispiel MOSFETs) werden mittels PWM-Pulsen und einer Treiberschaltung zeitlich so geöffnet und geschlossen, dass die zu jedem Zeitpunkt jeweils vorgegebene Amplitude (Betrag) und Polarität (d. h. Stromrichtung) eines Soll-Spulenstroms in die Motorspulen eingeprägt wird, um mit dem dadurch induzierten, rotierenden Magnetfeld den Rotor des Motors anzutreiben.
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Schaltungen dieser Art sind insbesondere in Form von integrierten Schrittmotortreibern wie zum Beispiel dem Typ TMC2130 der Firma TRINAMIC Motion Control GmbH & Co. KG (siehe Datenblatt TMC2130, Rev. 1.09 vom 15. Mai 2017) bekannt, die darüber hinaus zahlreiche weitere Zusatzfunktionen beinhalten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Schrittmotors zu schaffen, mit dem/der der Motor insbesondere bei niedrigen Motor-Drehzahlen einen im Vergleich zu bekannten Schrittmotortreibern niedrigeren Energieverbrauch aufweist bzw. im Vergleich zu bekannten Schrittmotortreibern bei gleichen Einsatzbedingungen (insbesondere bei gleicher Höhe der zugeführten Versorgungsspannung und gleichem Motortyp) ein höheres Drehmoment bei hoher Drehzahl erzielen kann.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 und einer Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 6.
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Ein wesentliches Erfindungsprinzip besteht dabei darin, die üblicherweise konstante Versorgungsspannung (die durch das oben erläuterte Schalten der Halbleiterschalter mittels PWM-Pulsen an die Motorspulen angelegt wird) hinsichtlich ihres Betrages (Höhe) an eine momentane Motor-Drehzahl anzupassen, d. h. bei verminderter Motor-Drehzahl ausgehend von einem gegebenen Wert zu vermindern und vorzugsweise auch bei einer wieder höheren Motor-Drehzahl wieder entsprechend zu erhöhen und/oder umgekehrt bei einer erhöhten Drehzahl ausgehend von einem gegebenen Wert zu erhöhen und vorzugsweise auch bei einer wieder verminderter Motor-Drehzahl wieder entsprechend zu vermindern. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Motor-Versorgungsspannung auch in Abhängigkeit von einem momentanen Tastverhältnis der PWM-Pulse und/oder in Abhängigkeit von einer momentanen Differenz zwischen einem Soll-Spulenstromwert und einem Ist-Spulenstromwert verändert werden.
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Diese angepasste bzw. veränderte Versorgungsspannung, die tatsächlich durch das Schalten der Brückenschaltung an die Motorspulen angelegt wird, soll im Folgenden als „Motorspannung“ bezeichnet werden.
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Die Erfindung führt neben der oben genannten Energieeinsparung zum Beispiel auch dazu, dass durch die Erhöhung der Motorspannung relativ zu einer gegebenen (konstanten) Versorgungsspannung höhere Motor-Drehzahlen erreicht werden können.
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Ferner können insbesondere kleine Motoren mit dünneren Drähten aufgebaut werden, da die für eine höhere oder hohe Drehzahl erforderliche Energie durch die Erhöhung der Motorspannung bei relativ niedrigem Strom zugeführt werden kann.
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Durch die Verminderung der Motorspannung relativ zu einer gegebenen Versorgungsspannung braucht bei niedriger Motor-Drehzahl auch das Tastverhältnis der PWM-Pulse nicht so stark vermindert zu werden, wodurch die Positioniergenauigkeit des Motors im Mikroschrittbetrieb erhöht werden kann.
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Als Eingangsparameter, in Abhängigkeit von dem die erläuterte Veränderung der Motorspannung vorgenommen wird, kann eine momentane Motor-Drehzahl dienen, die wiederum entweder aus einer momentanen Schrittfrequenz des Motors, oder durch Auslesen eines in den oben genannten integrierten Schrittmotortreibern üblicherweise vorhandenen Registers, in dem die aktuelle Motor-Drehzahl oder Geschwindigkeit gespeichert wird, ermittelt wird.
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Weiterhin können als Eingangsparameter auch die Differenz zwischen einem momentanen Soll-Spulenstromwert und einem momentanen Ist-Spulenstromwert oder das momentane Tastverhältnis der zur Stromeinprägung in die Motorspulen dienenden PWM-Pulse verwendet werden.
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Die Zuordnung eines in Relation zu einer gegebenen Versorgungsspannung entsprechend betragsmäßig erhöhten bzw. verminderten Wertes der an den Motor angelegten Spannung (Motorspannung) zu einer ermittelten momentanen Motor-Drehzahl oder einem der anderen Eingangsparameter kann durch Abfragen einer Nachschlagetabelle (LUT, look-up table) erfolgen, in der diese Zuordnungen zum Beispiel für einen bestimmten Motortyp oder ein Motormodell vorab gespeichert werden, oder sie kann jeweils mithilfe einer mathematischen Formel berechnet werden. Im einfachsten Fall kann ein linear-proportionaler Zusammenhang zwischen Motor-Drehzahl und Motorspannung festgelegt werden.
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Die einer Motor-Drehzahl oder einem der anderen Eingangsparameter zugeordnete Motorspannung kann dann zum Beispiel mittels bekannter bzw. proprietärer DC-DC-Wandler oder mittels diskret aufgebauter DC-DC-Wandler bzw. Boost- und/oder Buck-Konverter, die ganz oder teilweise in einem integrierten Schrittmotortreiber oder einem entsprechend programmierten externen Mikrocontroller oder FPGA (Field Programmable Gate Array) implementiert werden, oder auf andere Weise aus einer gegebenen (konstanten) Versorgungsspannung erzeugt werden.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren. Es zeigt:
- 1 ein Flussdiagramm eines prinzipiellen Verfahrensablaufes gemäß der Erfindung;
- 2 eine grafische Darstellung eines ersten Verlaufes einer Motorspannung in Abhängigkeit von einer Motor-Drehzahl;
- 3 eine grafische Darstellung eines zweiten Verlaufes einer Motorspannung in Abhängigkeit von einer Motor-Drehzahl;
- 4 ein Prinzipschaltbild einer ersten Variante einer ersten Ausführungsform;
- 5 ein Prinzipschaltbild einer zweiten Variante der ersten Ausführungsform;
- 6 ein Prinzipschaltbild einer dritten Variante der ersten Ausführungsform;
- 7 eine Teil-Implementierung der ersten Variante der ersten Ausführungsform in einen bekannten integrierten Schrittmotortreiber;
- 8 eine Teil-Implementierung der zweiten Variante der ersten Ausführungsform in einen bekannten integrierten Schrittmotortreiber;
- 9 eine Teil-Implementierung der dritten Variante der ersten Ausführungsform in einen bekannten integrierten Schrittmotortreiber;
- 10 ein Prinzipschaltbild einer ersten Variante einer zweiten Ausführungsform;
- 11 ein Prinzipschaltbild einer zweiten Variante der zweiten Ausführungsform;
- 12 ein Prinzipschaltbild einer dritten Variante der zweiten Ausführungsform;
- 13 eine Teil-Implementierung der ersten Variante der zweiten Ausführungsform in einen bekannten integrierten Schrittmotortreiber;
- 14 eine Teil-Implementierung der zweiten Variante der zweiten Ausführungsform in einen bekannten integrierten Schrittmotortreiber;
- 15 eine Teil-Implementierung der dritten Variante der zweiten Ausführungsform in einen bekannten integrierten Schrittmotortreiber;
- 16 eine Teil-Implementierung einer dritten Ausführungsform in einen bekannten integrierten Schrittmotortreiber; und
- 17 eine Teil-Implementierung einer vierten Ausführungsform in einen bekannten integrierten Schrittmotortreiber.
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1 zeigt ein Flussdiagramm eines prinzipiellen Verfahrensablaufes zur Erzeugung einer einem Motor als Versorgungsspannung zugeführten, veränderlichen Motorspannung aus einer konstanten, insbesondere einer zur Verfügung gestellten bzw. gegebenen Versorgungsspannung.
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Das Verfahren beginnt mit einem ersten Schritt S1 (Startschritt). Mit einem zweiten Schritt S2 wird die momentane Motor-Drehzahl bzw. Geschwindigkeit abgefragt. Wie bereits angedeutet, werden dafür insbesondere die folgenden drei Alternativen bevorzugt: Auswerten der Schrittsignale des Motors zum Beispiel mittels eines Schrittfrequenz-Zählers, Auslesen der Drehzahl bzw. Geschwindigkeit aus einem in bekannten Schrittmotortreibern üblicherweise vorhandenen Register, sowie Auswerten der PWM-Signale zur Bestimmung der effektiven Spulenspannung, mit denen mittels einer Treiberschaltung die Schalter der genannten Brückenschaltung, in deren Zweig jeweils einer der Motorspulen geschaltet ist, geschaltet werden.
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Mit einem dritten Schritt S3 wird dann der ermittelten momentanen Motor-Drehzahl bzw. Geschwindigkeit eine bestimmte Motorspannung zugeordnet. Diese Zuordnung wird vorzugsweise vorab festgelegt und ist zum Beispiel abhängig von der Art des Schrittmotors und/oder der Art der Anwendung.
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Die Motorspannung kann linear bzw. proportional oder entsprechend einer gewünschten anderen mathematischen Funktion von der Drehzahl oder Geschwindigkeit abhängig sein.
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Die Motorspannung kann für die jeweils aktuelle Drehzahl oder Geschwindigkeit mittels einer Recheneinheit berechnet werden, oder sie ist für eine vorbestimmte Anzahl von Werten vorab festgelegt und in einem Speicher LUT (Look-up table) gespeichert und wird dann nur ausgelesen.
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Mit einem vierten Schritt S4 wird dann die ermittelte Motorspannung aus der anliegenden Versorgungsspannung erzeugt. Dazu können handelsübliche DC-DC-Wandler oder diskret aufgebaute DC-DC-Wandler verwendet werden, die auch ganz oder teilweise in einen Schrittmotortreiber integriert sein können.
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Je nach Anwendung des Motors kann ggf. auch nur ein Boost- oder nur ein Buck-Konverter als DC-DC-Wandler verwendet werden, wenn zum Beispiel die Motorspannung gegenüber der Versorgungsspannung nur erhöht bzw. nur vermindert werden soll.
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Mit einem fünften Schritt S5 erfolgt dann ein Rücksprung zu dem ersten Schritt S1, sodass der Ablauf periodisch wiederholt wird. Die Wiederholfrequenz wird in Abhängigkeit von einer gewünschten Auflösung von Änderungen der Motor-Drehzahl bzw. Geschwindigkeit gewählt, wobei die Wiederholfrequenz vorab einstellbar oder während des Motorlaufes regelbar sein kann, um zum Beispiel eine optimale Anpassung an eine gewünschte Anwendung zu erzielen.
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2 zeigt eine grafische Darstellung eines Beispiels für einen einfachen Verlauf einer einem Motor zugeführten Motorspannung V_sm in Abhängigkeit von einer Motor-Drehzahl bzw. Geschwindigkeit D. Dargestellt ist auch der von der Motor-Drehzahl bzw. Geschwindigkeit D unabhängige, konstante Verlauf der zur Verfügung gestellten Versorgungsspannung V_s.
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Die Motorspannung V_sm hat bis zu einer unteren Drehzahlschwelle Du vorzugsweise einen konstanten minimalen Wert Vmin und steigt bei Überschreiten der Schwelle Du linear und proportional mit steigender Motor-Drehzahl D bis zum Überschreiten einer oberen Drehzahlschwelle Do bis auf einen maximalen Wert Vmax an. Für Motor-Drehzahlen oberhalb der oberen Drehzahlschwelle bleibt die Motorspannung dann auf einem maximalen Wert Vmax vorzugsweise konstant.
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In 2 ist auch ein einfaches elektrisches Motormodell MM dargestellt. Darin bezeichnet ML die Motorinduktivität, BEMK die in den Spulen durch den rotierenden Rotor gegeninduzierte Spannung (die der angelegten Motorspannung entgegenwirkt) und MR den ohmschen Innenwiderstand des Motors.
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Da die BEMK mit steigender Motor-Drehzahl ebenfalls ansteigt und somit die zeitlichen PWM-Phasen, während denen Strom in die Spulen eingeprägt wird (ON-Phasen), entsprechend immer länger werden müssen, um einen gewünschten Soll-Stromwert in den Spulen zu erzielen, kann mit der dargestellten Erhöhung der Motorspannung erreicht werden, dass diese ON-Phasen die maximal möglichen 100% nicht überschreiten müssen, um die gewünschte Höhe des Spulenstroms sicherzustellen, bzw. es kann bei gleich langen ON-Phasen eine höhere Motor-Drehzahl erzielt werden.
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Die minimale Motorspannung Vmin ist dabei durch den Innenwiderstand MR des Motors bestimmt und wird so gewählt, dass bei niedriger Drehzahl die ON-Phasen nicht unter einen minimalen Wert verkürzt werden müssen. Dies hat u. a. den Vorteil, dass die PWM bei höherem Tastverhältnis den Stromvektor genauer einprägen kann, da die relative Auflösung einer in diskreter Zeitauflösung digital generierten PWM bei höherem Tastverhältnis (d. h. höheren Werten) größer und damit die Quantelung der Einstellung der Spulenströme kleiner und somit der Stromwert genauer ist.
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3 zeigt eine grafische Darstellung eines weiteren Beispiels für einen Verlauf der einem Motor zugeführten Motorspannung V_sm in Abhängigkeit von einer Motor-Drehzahl bzw. Geschwindigkeit D. Dargestellt ist wiederum auch der von der Motor-Drehzahl bzw. Geschwindigkeit D unabhängige, konstante Verlauf der zur Verfügung gestellten Versorgungsspannung V_s.
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Ebenfalls angedeutet sind die minimale und die maximale Motorspannung Vmin, Vmax sowie der untere und der obere Schwellwert Du, Do der Motor-Drehzahl bzw. Geschwindigkeit D.
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Im Unterschied zu 2 ist der dargestellte Verlauf der Motorspannung V_sm nicht linear, sondern an einen bestimmten Motortyp oder ein Motormodell, das zum Beispiel für eine bestimmte Motorserie entworfen wurde, besonders genau angepasst, um eine noch bessere Optimierung des Motorbetriebes im Hinblick auf die eingangs genannten Kriterien zu erreichen.
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Nachfolgend sollen beispielhaft vier bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Detail erläutert werden. Diese Ausführungsformen betreffen im Wesentlichen verschiedene Realisierungen des zweiten Schrittes S2 gemäß 1 wie folgt: mit der ersten Ausführungsform wird eine momentane Motor-Drehzahl bzw. Geschwindigkeit durch Auswertung der Schrittfrequenz des Motors ermittelt. Bei der zweiten Ausführungsform wird eine momentane Motor-Drehzahl bzw. Geschwindigkeit aus einem in einem bekannten Schrittmotortreiber vorhandenen Register ausgelesen.
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Bei der dritten Ausführungsform wird die Differenz zwischen einem momentanen Soll-Spulenstromwert I_soll und einem momentanen Ist-Spulenstromwert I_ist zur Ansteuerung des Gleichspannungswandlers DC-DC verwendet, während bei der vierten Ausführungsform zur Ansteuerung des Gleichspannungswandlers DC-DC das Tastverhältnis der PWM-Signale dient, mit denen über eine Treiberstufe die Schalter der Brückenschaltung angesteuert werden, mittels der durch Anlegen der Motorspannung die Sollströme in die Motorspulen eingeprägt werden.
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Diese vier Realisierungen können in beliebiger Weise sowohl mit den verschiedenen Möglichkeiten der Zuordnung einer bestimmten Motorspannung zu einer ermittelten Motor-Drehzahl bzw. Geschwindigkeit bzw. Differenzstrom bzw. PWM-Tastverhältnis gemäß dem dritten Schritt S3, als auch mit den verschiedenen Möglichkeiten der Erzeugung der zugeordneten Motorspannung gemäß dem vierten Schritt S4 kombiniert werden.
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4 zeigt ein Prinzipschaltbild einer ersten Variante der ersten Ausführungsform.
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Die Schaltung weist zur Ausführung des zweiten und dritten Schrittes S2, S3 (Schaltungsteil A) folgende Komponenten auf: einen Frequenzzähler Fr-C, eine Speichereinheit MM/LUT, in der eine Nachschlagetabelle gespeichert ist, eine Steuereinheit Ctr, einen Analog-Digital-Wandler ADC und einen PWM-Signalgenerator PWM. Zur Ausführung des vierten Schrittes S4 (Schaltungsteil B) dient ein Gleichspannungswandler, der zur Umwandlung einer an dessen Eingang anliegenden, konstanten Versorgungsspannung V_s in eine Motorspannung V_sm dient, und der zu diesem Zweck zum Beispiel einen Schalttransistor T, eine Spule L, eine Diode D und einen Kondensator C aufweist.
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An einem Eingang des Frequenzzählers Fr-C liegt ein eine momentane gewünschte Schrittfrequenz (und Drehrichtung) des Motors anzeigendes Schrittsignal Step an, wie es üblicherweise bekannten Schrittmotor-Treiberschaltungen zugeführt wird. Durch Auswertung mit dem Frequenzzähler Fr-C wird daraus ein eine momentane Motor-Drehzahl bzw. Geschwindigkeit anzeigendes Drehzahlsignal zum Beispiel in Form eines Zählerstandes ermittelt, das einem Eingang der Speichereinheit MM/LUT zugeführt wird. In der Speichereinheit ist in einer Tabelle (LUT) für eine Vielzahl von Drehzahlsignalen jeweils eine zugeordnete Soll-Motorspannung V_target gespeichert. Diese Zuordnungen werden vorab zum Beispiel mittels eines Motormodells (MM) bzw. einer mathematischen Funktion ermittelt und in der Tabelle abgespeichert.
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Somit wird also die dem momentanen Drehzahlsignal zugeordnete Soll-Motorspannung V_target aus der Speichereinheit MM/LUT ausgelesen und einem ersten Eingang der Steuereinheit Ctr zugeführt.
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Die Steuereinheit Ctr erzeugt in Abhängigkeit davon ein Steuersignal, das dem PWM-Signalgenerator PWM zugeführt wird, der wiederum ein entsprechend pulsweitenmoduliertes Schaltsignal (PWM-Schaltsignal) erzeugt, mit dem der Spannungswandler zur Erzeugung der wie oben beschrieben an den Motor angelegten Motorspannung V_sm geschaltet wird.
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Die auf diese Weise erzeugte Ist-Motorspannung V_sm wird vorzugsweise über den Analog-Digital-Wandler ADC auch einem zweiten Eingang der Steuereinheit Ctr zugeführt, um mit der aus der Speichereinheit MM/LUT ausgelesenen Soll-Motorspannung V_target verglichen zu werden, so dass die Ist-Motorspannung V_sm mittels des Spannungswandlers durch entsprechende Veränderung des Tastverhältnisses des PWM-Schaltsignals auf die ausgelesene Soll-Motorspannung V_target geregelt werden kann.
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Im dargestellten Fall ist der Spannungswandler ein Aufwärtswandler, auch Step-Up- oder Boost-Konverter genannt, dessen Schaltschema an sich bekannt ist. Durch das Schalten des Transistors T mittels des PWM-Schaltsignals wird die Spule L mit Masse GND verbunden bzw. von dieser getrennt, wobei durch das Sperren des Transistors T die Spannung an der Spule L ansteigt und über die Diode D den Kondensator C auflädt, sobald die Spulenspannung die Kondensatorspannung übersteigt. An dem Kondensator C liegt dann die Motorspannung V_sm an.
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Mit diesem Aufwärtswandler können somit nur Motorspannungen V_sm erzeugt werden, die betragsmäßig größer sind als die anliegende Versorgungsspannung V_s sind, wobei die aus der Speichereinheit MM/LUT ausgelesene Soll-Motorspannung V_taget durch entsprechende Regelung des Tastverhältnisses des PWM-Schaltsignals erzeugt wird.
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Alternativ dazu kann gemäß der in 5 gezeigten zweiten Variante der ersten Ausführungsform auch ein Abwärtswandler (Step-Down- oder Buck-Konverter) verwendet werden, dessen Schaltschema ebenfalls bekannt ist. Durch das Schalten des Transistors T mittels des PWM-Schaltsignals wird die Spule L mit der Versorgungsspannung V_s verbunden bzw. von dieser getrennt, wobei bei durchgeschaltetem Transistor T ein Anstieg der Kondensatorspannung durch die Spule begrenzt wird.
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Auf dieses Weise können nur Motorspannungen V_sm erzeugt werden, die betragsmäßig kleiner sind als die anliegende Versorgungsspannung V_s, wobei die aus der Speichereinheit MM/LUT ausgelesene Soll-Motorspannung V_target wiederum durch entsprechende Regelung des Tastverhältnisses des PWM-Schaltsignals erzeugt wird.
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Darüber hinaus sind sämtliche Komponenten und Funktionen die gleichen wie bei der ersten Variante gemäß 4.
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6 zeigt ein Prinzipschaltbild einer dritten Variante der ersten Ausführungsform, die sich von der ersten und zweiten Variante im Wesentlichen dadurch unterscheidet, das als Spannungswandler ein handelsüblicher DC-DC-Wandler verwendet wird, dessen Ausgangspannungen V_sm sowohl größer, als auch kleiner als die Eingangsspannung V_s sein können.
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Solche Spannungswandler umfassten üblicherweise auch Komponenten zur Regelung der Ausgangspannung, sodass gemäß diesem Prinzipschaltbild bei dieser Variante nur der genannte Frequenzzähler Fr-C zur Erzeugung des Drehzahlsignals und die Speichereinheit MM/LUT erforderlich sind und die aus dieser ausgelesene Soll-Motorspannung V_target direkt dem Spannungswandler DC-DC zur Erzeugung der dem Motor zur Verfügung gestellten Motorspannung V_sm aus der anliegenden Versorgungsspannung V_s zugeführt werden kann.
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7 zeigt eine Teil-Implementierung der ersten Variante der ersten Ausführungsform in einen bekannten integrierten Schrittmotortreiber.
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Aus dieser Darstellung wird deutlich, dass sämtliche Komponenten, die zur Durchführung des zweiten und dritten Schrittes S2, S3 gemäß 1 erforderlich sind (Schaltungsteil A in 4 und 5), in einen solchen Schrittmotortreiber integriert sein können. Neben diesen erfindungsgemäßen Komponenten sind als wesentliche Komponenten eines bekannten Schrittmotortreibers nur die Treibereinheit Tr mit jeweils zwei Treibern Tr1, Tr2; Tr3, Tr4 für jede der beiden Spulen eines Schrittmotors M sowie die diese Treibereinheit Tr ansteuernde Steuereinheit StDirTr dargestellt. Einem solchen Schrittmotortreiber wird üblicherweise ein Schritt-Richtungssignal Step/Dir zugeführt, das Informationen über eine gewünschte Schrittgeschwindigkeit und Drehrichtung des Motors beinhaltet. Dieses Signal Step/Dir wird dann auch an den oben genannten Frequenzzähler Fr-C angelegt, um daraus das genannte Drehzahlsignal zu erzeugen.
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Das Schritt-Richtungssignal Step/Dir wird ferner der Steuereinheit StDirTr zugeführt, mit dem diese die Treiber Tr1, Tr2, Tr3, Tr4 so ansteuert, dass die für die gewünschte Schrittgeschwindigkeit und Drehrichtung des Motors erforderlichen Ströme durch die beiden Spulen getrieben werden, und zwar mittels der wie oben erläutert erzeugten Motorspannung V_sm anstelle der üblicherweise konstanten Versorgungsspannung V_s. Übliche Schrittmotortreiber beinhalten darüber hinaus zahlreiche weitere Komponenten, die für die Anwendung bzw. Funktion der Erfindung jedoch nicht erforderlich sind.
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Als vorzugsweise diskret aufgebauter Gleichspannungswandler ist in 7 beispielhaft der bereits in 4 gezeigte und oben erläuterte Aufwärtswandler dargestellt.
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Alternativ dazu ist es natürlich auch bei einer solchen Teil-Implementierung möglich, anstelle eines Aufwärtswandlers einen in 5 gezeigten und oben erläuterten Abwärtswandler zu verwenden. Eine solche zweite Variante der ersten Ausführungsform, die teilweise in einen bekannten integrierten Schrittmotortreiber implementiert ist, ist in 8 dargestellt. Die hier gezeigten Komponenten des Schrittmotortreibers sind die gleichen wie in 7, sodass auf eine erneute Erläuterung verzichtet werden kann.
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Schließlich ist in 9 eine Teil-Implementierung der dritten Variante der ersten Ausführungsform in einen bekannten integrierten Schrittmotortreiber gezeigt.
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Als Spannungswandler wird ein bereits im Zusammenhang mit 6 erläuterter handelsüblicher DC-DC-Wandler verwendet, dessen Ausgangspannungen V_sm sowohl größer, als auch kleiner als die Eingangsspannung V_s sein können, und der üblicherweise auch Komponenten zur Regelung der Ausgangspannung umfasst.
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Somit ist bei dieser Variante wiederum nur der genannte Frequenzzähler Fr-C zur Erzeugung des Drehzahlsignals, die Speichereinheit MM/LUT und optional eine Steuereinheit Ctr für den DC-DC-Wandler in den Schrittmotortreiber zu integrieren. Die aus der Speichereinheit MM/LUT ausgelesene Soll-Motorspannung V_target kann wiederum direkt dem Spannungswandler DC-DC zur Erzeugung der dem Motor zur Verfügung gestellten Motorspannung V_sm aus der anliegenden Versorgungsspannung V_s zugeführt werden.
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10 zeigt ein Prinzipschaltbild einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, bei der eine momentane Motor-Drehzahl bzw. Geschwindigkeit aus einem in einem bekannten Schrittmotortreiber vorhandenen Register R, wie zum Beispiel einem Steuerregister ausgelesen wird.
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Bei der in 10 gezeigten ersten Variante ist ebenso wie in 4 und 7 als Spannungswandler ein Aufwärtswandler (Schaltungsteil B) vorgesehen, mit dem gemäß dem vierten Schritt S4 (1) aus einer zugeführten, üblicherweise konstante Versorgungsspannung V_s nur Motorspannungen V_sm erzeugt werden können, die größer sind als die Versorgungsspannung V_s.
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Die zur Durchführung des zweiten und dritten Schrittes S2, S3 gemäß 1 erforderlichen Komponenten sind wiederum zu einem Schaltungsteil A zusammengefasst. Neben dem Register R sind dies die Speichereinheit MM/LUT, in dem die Nachschlagetabelle gespeichert ist, die Steuereinheit Ctr, der Analog-Digital-Wandler ADC und der PWM-Signalgenerator PWM, wobei der Frequenzzähler natürlich nicht erforderlich ist.
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Bei dieser zweiten Ausführungsform wird also die momentane Motor-Drehzahl bzw. Geschwindigkeit aus dem Register R ausgelesen und als Drehzahlsignal der Speichereinheit MM/LUT zugeführt. Die dem momentanen Drehzahlsignal zugeordnete Soll-Motorspannung V_target wird aus der Speichereinheit MM/LUT ausgelesen und einem ersten Eingang der Steuereinheit Ctr zugeführt.
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Die Steuereinheit Ctr erzeugt in Abhängigkeit davon ein Steuersignal, das dem PWM-Signalgenerator PWM zugeführt wird, der wiederum ein entsprechend pulsweitenmoduliertes Schaltsignal (PWM-Schaltsignal) erzeugt, mit dem der Spannungswandler zur Erzeugung der wie oben beschrieben an den Motor angelegten Motorspannung V_sm geschaltet wird.
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Die auf diese Weise erzeugte Ist-Motorspannung V_sm wird vorzugsweise über den Analog-Digital-Wandler ADC auch einem zweiten Eingang der Steuereinheit Ctr zugeführt, um mit der aus der Speichereinheit MM/LUT ausgelesenen Soll-Motorspannung V_target verglichen zu werden, so dass die Ist-Motorspannung V_sm mittels des Spannungswandlers durch entsprechende Veränderung des Tastverhältnisses des PWM-Schaltsignals auf die ausgelesene Soll-Motorspannung V_target geregelt werden kann.
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11 zeigt eine zweite Variante der zweiten Ausführungsform, bei der ähnlich wie bei der zweiten Variante der ersten Ausführungsform gemäß 5 anstelle des Aufwärtswandlers ein Abwärtswandler verwendet wird.
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Der zur Ausführung des zweiten und dritten Schrittes S2, S3 gemäß 1 vorgesehene Schaltungsteil A ist identisch mit demjenigen gemäß 10, sodass auf eine erneute Erläuterung verzichtet werden kann. Dies betrifft ebenfalls den zur Ausführung des vierten Schrittes S4 vorgesehenen Abwärtswandler, der bereits im Zusammenhang mit 5 beschrieben wurde.
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12 zeigte eine dritte Variante der zweiten Ausführungsform, bei der ähnlich wie bei der dritten Variante der ersten Ausführungsform ein handelsüblicher DC-DC-Wandler als Spannungswandler verwendet wird, dessen Ausgangspannungen V_sm sowohl größer, als auch kleiner als die Eingangsspannung V_s sein können.
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Somit braucht bei dieser Variante nur die aktuelle Motor-Drehzahl bzw. Geschwindigkeit aus dem Register R ausgelesen und der Speichereinheit MM/LUT als Drehzahlsignal zugeführt zu werden. Die dem aktuellen Drehzahlsignal zugeordnete und aus der Speichereinheit MM/LUT ausgelesene Soll-Motorspannung V_target wird wiederum direkt dem Spannungswandler DC-DC zugeführt, sodass dieser aus der anliegenden Versorgungsspannung V_s die zur Ansteuerung des Motor dienende Motorspannung V_sm erzeugen kann.
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Auch für diese zweite Ausführungsform sollen nachfolgend analog zu den 7 bis 9 wiederum Teil-Implementierungen in einen bekannten integrierten Schrittmotortreiber dargestellt werden.
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13 zeigt eine solche Teil-Implementierung der ersten Variante der zweiten Ausführungsform.
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Aus dieser Darstellung wird wiederum deutlich, dass sämtliche Komponenten, die zur Durchführung des zweiten und dritten Schrittes S2, S3 gemäß 1 erforderlich sind (Schaltungsteil A in 10 und 11), in einen solchen Schrittmotortreiber integriert sein können. Neben diesen erfindungsgemäßen Komponenten sind als wesentliche Komponenten eines bekannten Schrittmotortreibers die Treibereinheit Tr mit jeweils zwei Treibern Tr1, Tr2; Tr3, Tr4 für jede der beiden Spulen eines Schrittmotors M sowie die diese Treibereinheit Tr ansteuernde Steuereinheit StDirTr dargestellt. Ferner zeigt 13 eine in solchen Schrittmotortreibern üblicherweise vorhandene SPI-Schnittstelle bzw. SPI-Steuerlogikeinheit SPI-L, die mit einen SPI-Eingang/Ausgang für SPI-Signale verbunden ist. Die SPI-Einheit steuert auch das genannte Register (Steuerregister) R an, in dem u. a. die aktuelle Motor-Drehzahl bzw. Geschwindigkeit VACTUAL gespeichert ist.
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Diese wird ausgelesen und als Drehzahlsignal der Speichereinheit MM/LUT zugeführt. Die dem momentanen Drehzahlsignal zugeordnete Soll-Motorspannung V_target wird wiederum aus der Speichereinheit MM/LUT ausgelesen und einem ersten Eingang der Steuereinheit Ctr zugeführt.
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Die Steuereinheit Ctr erzeugt in Abhängigkeit davon ein Steuersignal, das an den PWM-Signalgenerator PWM angelegt wird, der wiederum ein entsprechend pulsweitenmoduliertes Schaltsignal (PWM-Schaltsignal) erzeugt, mit dem der Spannungswandler zur Erzeugung der wie oben beschrieben an den Motor angelegten Motorspannung V_sm geschaltet wird.
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Die auf diese Weise erzeugte Ist-Motorspannung V_sm wird wiederum vorzugsweise über den Analog-Digital-Wandler ADC auch einem zweiten Eingang der Steuereinheit Ctr zugeführt, um mit der aus der Speichereinheit MM/LUT ausgelesenen Soll-Motorspannung V_target verglichen zu werden, so dass die Ist-Motorspannung V_sm mittels des Spannungswandlers durch entsprechende Veränderung des Tastverhältnisses des PWM-Schaltsignals auf die ausgelesene Soll-Motorspannung V_target geregelt werden kann.
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Als vorzugsweise diskret aufgebauter Gleichspannungswandler ist in 13 beispielhaft der bereits in den 4 und 7 gezeigte und oben erläuterte Aufwärtswandler dargestellt.
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Alternativ dazu ist es natürlich auch bei einer solchen Teil-Implementierung möglich, anstelle eines Aufwärtswandlers einen in den 5 und 8 gezeigten und oben erläuterten Abwärtswandler zu verwenden. Eine solche zweite Variante der zweiten Ausführungsform, die teilweise in einen bekannten integrierten Schrittmotortreiber implementiert ist, ist in 14 dargestellt. Die hier gezeigten Komponenten des Schrittmotortreibers sind die gleichen wie in 13, sodass auf eine erneute Erläuterung verzichtet werden kann.
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Schließlich ist in 15 eine Teil-Implementierung der dritten Variante der zweiten Ausführungsform in einen bekannten integrierten Schrittmotortreiber gezeigt.
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Als Spannungswandler wird ein bereits im Zusammenhang mit den 6, 9 und 12 erläuterter handelsüblicher DC-DC-Wandler verwendet, dessen Ausgangspannungen V_sm sowohl größer, als auch kleiner als die Eingangsspannung V_s sein können, und der üblicherweise auch Komponenten zur Regelung der Ausgangspannung umfasst.
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Somit ist bei dieser Variante neben dem ohnehin vorhandenen Register R nur die Speichereinheit MM/LUT und optional eine Steuereinheit Ctr für den DC-DC-Wandler in den Schrittmotortreiber zu integrieren. Die aus der Speichereinheit MM/LUT ausgelesene Soll-Motorspannung V_target kann wiederum direkt dem Spannungswandler DC-DC zur Erzeugung der dem Motor zur Verfügung gestellten Motorspannung V_sm aus der anliegenden Versorgungsspannung V_s zugeführt werden.
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16 zeigt eine Teil-Implementierung der dritten Ausführungsform in einen bekannten integrierten Schrittmotortreiber.
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Der Schrittmotortreiber beinhaltet neben einer bekannten Treibereinheit Tr mit den oben erläuterten Treibern für jede der beiden Spulen eines Schrittmotors M eine PWM-Steuereinheit PWM zur Erzeugung von PWM-Schaltsignalen zur Ansteuerung der Treibereinheit Tr in der Weise, dass die für die gewünschte Schrittgeschwindigkeit und Drehrichtung des Motors erforderlichen Ströme mittels der Motorspannung V_sm durch die beiden Spulen des Motors getrieben werden.
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Vorgeschaltet ist der PWM-Steuereinheit PWM üblicherweise ein bekannter Step Sequencer StepSq, an dem das oben erläuterte Schritt-Richtungssignal Step/Dir anliegt. Neben einem PI-Controller PI-Ctr und der optionalen Steuereinheit Ctr für den DC-DC-Wandler beinhalten übliche Schrittmotortreiber darüber hinaus zahlreiche weitere Komponenten, die für die Anwendung bzw. Funktion der Erfindung jedoch nicht erforderlich sind.
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Ein wesentliches Merkmal dieser ersten Variante besteht darin, dass mittels eines Subtrahierers S die Differenz zwischen einem momentanen Soll-Spulenstromwert I_soll und einem momentanen Ist-Spulenstromwert I_ist gebildet und zur Ansteuerung des Gleichspannungswandlers DC-DC verwendet wird. Diese Differenz somit kann durch entsprechende Erhöhung bzw. Verminderung der dem Motor zugeführten Motorspannung V_sm zumindest teilweise ausgeregelt werden.
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Diese Regelung der Motorspannung V_sm erfolgt vorzugsweise ergänzend zu der üblicherweise zu diesem Zweck vorgenommenen Veränderung des Tastverhältnisses der der Treibereinheit Tr zugeführten, oben erwähnten PWM-Schaltsignale.
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Die genannte Differenz zwischen einem momentanen Soll-Spulenstromwert I_soll und einem momentanen Ist-Spulenstromwert I_ist dient also sowohl zur Ansteuerung des DC-DC-Wandlers, also auch zur Ansteuerung der PWM-Steuereinheit PWM über den PI-Controller PI.
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Auch wenn gemäß 16 zur Ausführung des vierten Schrittes S4 ein handelsüblicher DC-DC-Wandler verwendet wird, ist es auch bei dieser Ausführungsform grundsätzlich möglich, einen Aufwärtswandler oder einen Abwärtswandler einzusetzen, wie er oben mit Bezug auf die 4, 5, 7, 8, 10, 11 sowie 13 bzw. 14 beschrieben wurde.
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In 17 ist eine vierte Ausführungsform gezeigt, bei der zur Ansteuerung des DC-DC-Wandlers das momentane Tastverhältnis der PWM-Signale verwendet wird, mit denen über die Treibereinheit Tr die Schalter der Brückenschaltung so angesteuert werden, dass durch Anlegen der Motorspannung V_sm die Sollströme in die Motorspulen eingeprägt werden.
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Der Schrittmotortreiber beinhaltet wiederum neben der bekannten Treibereinheit Tr mit den oben erläuterten Treibern für jede der beiden Spulen eines Schrittmotors M die PWM-Steuereinheit PWM zur Erzeugung der PWM-Schaltsignale. Vorgeschaltet ist der PWM-Steuereinheit PWM üblicherweise ein bekannter Step Sequencer StepSq, an dem das oben erläuterte Schritt-Richtungssignal Step/Dir anliegt. Der Schrittmotortreiber beinhaltet ferner einen PI-Controller PI-Ctr und eine Steuereinheit Ctr, die zur Ansteuerung des DC-DC-Wandlers in Abhängigkeit von dem der Steuereinheit Ctr zugeführten PWM-Tastverhältnis dient.
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Somit dient also bei dieser vierten Ausführungsform einerseits in bekannter Weise die Differenz zwischen einem momentanen Soll-Spulenstromwert I_soll und einem momentanen Ist-Spulenstromwert I_ist zur Ansteuerung des PI-Controllers PI-Ctr, der wiederum die PWM-Steuereinheit zur entsprechenden Veränderung des Tastverhältnisses der PWM-Schaltsignale so ansteuert, dass diese Differenz wie oben erwähnt ganz oder teilweise ausgeregelt wird.
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Andererseits wird das momentane Tastverhältnis DtCyc der PWM-Schaltsignale der Steuereinheit Ctr zugeführt, die den DC-DC-Wandler zur Erzeugung der Motorspannung so ansteuert, dass zum Beispiel das Tastverhältnis der PWM-Schaltsignale durch entsprechende Erhöhung bzw. Verminderung der über die Treibereinheit Tr an die Spulen angelegten Motorspannung oder der durch die Spulen fließende Spulenstrom innerhalb vorbestimmter Grenzen bleibt.
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Wenn dabei zum Beispiel das Tastverhältnis einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet, so bedeutet dies, dass ein relativ hoher Strom in die Spulen eingeprägt werden muss. In diesem Fall kann die Motorspannung durch entsprechende Ansteuerung des DC-DC-Wandlers angehoben werden. Das gleich gilt entsprechend umgekehrt, so dass mit anderen Worten das Tastverhältnis innerhalb vorbestimmter Grenzen gehalten werden kann.
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Auch wenn gemäß 17 zur Ausführung des vierten Schrittes S4 wiederum bevorzugt ein handelsüblicher DC-DC-Wandler verwendet wird, ist es auch bei dieser Ausführungsform grundsätzlich möglich, einen Aufwärtswandler oder einen Abwärtswandler einzusetzen, wie er oben mit Bezug auf die 4, 5, 7, 8, 10, 11 sowie 13 bzw. 14 beschrieben wurde.
