DE102018105347A1 - Motorantriebssteuervorrichtung, Steuerverfahren der Motorantriebssteuervorrichtung, Steuerprogramm der Motorantriebssteuervorrichtung und Verfahren zur Bestimmung des Teilers eines Grundschrittwinkels - Google Patents

Motorantriebssteuervorrichtung, Steuerverfahren der Motorantriebssteuervorrichtung, Steuerprogramm der Motorantriebssteuervorrichtung und Verfahren zur Bestimmung des Teilers eines Grundschrittwinkels Download PDF

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Abstract

Motorantriebssteuervorrichtung (10), die einen Schrittmotor (20) in Mikroschritten antreibt, steuert die Anzahl der in einem Mikroschrittzyklus umfassten PWM (Pulsweitenmodulations)-Zyklen. Insbesondere wird der Teiler des Grundschrittwinkels derart bestimmt, dass sich die in einer durch die Anzahl der in einem Mikroschrittzyklus umfassten PWM-Zyklen bestimmten Stromwellenform umfassten Vibrationen nicht der Eigenfrequenz des Schrittmotors (20) nähern.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Motorantriebssteuervorrichtung, ein Steuerverfahren der Motorantriebssteuervorrichtung, ein Steuerprogramm der Motorantriebssteuervorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung des Teilers eines Grundschrittwinkels (die Anzahl der Mikroschritte), insbesondere eine Motorantriebssteuervorrichtung, ein Steuerverfahren der Motorantriebssteuervorrichtung, ein Steuerprogramm der Motorantriebssteuervorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung des Teilers eines Grundschrittwinkels (die Anzahl der Mikroschritte) als Maßnahme gegen Vibrationen oder Geräusche eines Motors.
  • TECHNISCHER HINTERGRUND
  • Bei einem Mikroschrittantrieb handelt es sich um eine Antriebsart, durch das der Grundschrittwinkel eines Schrittmotors mittels der Stromsteuerung eines Treibers als Antriebsschaltung noch feiner gesteuert wird. Genauer realisiert der Mikroschrittantrieb den Betrieb mit einem kleineren Schrittwinkel als dem Grundschrittwinkel durch eine feinere Aufteilung der Verteilung des in den vom Motor umfassten jeweiligen Spulen fließenden Stroms.
  • 7 ist ein Zeitdiagramm zur Erläuterung des Mikroschrittantriebs.
  • In 7 stellt die horizontale Achse den Zeitverlauf dar, wobei jeweils ein Beispiel der Wellenform von (a) den Motorantriebsimpulsen (Grundschritt des Motorantriebs), (b) den Mikroschritten oder (c) dem PWM (Pulsweitenmodulations)-Zyklus (PWM-Steuerimpuls) dargestellt ist.
  • Wie in 7 (a) dargestellt, wird die Anzahl der Antriebsimpulse (Grundschritte) des Schrittmotors entsprechend der Drehzahl des Motors auf 360 Impulse, 480 Impulse, 640 Impulse, 800 Impulse usw. (360 pps (Impuls/sek), 480 pps, 640 pps, 800 pps usw.) pro Sekunde (sek) gesteuert. Je höher die Impulszahl ist, desto schneller dreht sich der Motor.
  • Wie in 7 (b) dargestellt, wird ein Zyklus des Antriebsimpulses des Schrittmotors z. B. durch zweiunddreißig geteilt, wobei ein einzelner hiervon zum Zyklus eines Mikroschritts wird.
  • Wie in 7 (c) dargestellt, ist die Grundfrequenz der PWM-Steuerung bei diesem Beispiel auf 25 kHz festgelegt. Bei einer Grundfrequenz der PWM-Steuerung von 20 kHz oder weniger verschlimmern sich die Motorgeräusche und bei 30 kHz oder darüber wird die Rechenbelastung der CPU zu groß, sodass eine Einstellung im Bereich von 20 kHz bis 30 kHz wünschenswert ist.
  • Wird z. B. die Motordrehung mit 360 Impulsen pro Sekunde gesteuert, umfasst bei einer Aufteilung eines Impulses in 32 Mikroschritte theoretisch eine Sekunde 360 × 32 = 11.520 Mikroschritte, sodass die Frequenz der Mikroschritte 11.520 Hz = 11,52 kHz ergibt. Da als Grundfrequenz der PWM-Steuerung 25 kHz bestimmt ist, umfasst der PWM-Steuerimpuls in einem Zyklus des Mikroschritts theoretisch 25/11,52 = 2,17 Zyklen (2,17 Stück).
  • Selbst wenn die Motordrehung noch schneller, d. h. mit 480 Impulsen pro Sekunde gesteuert wird, ergibt sich durch die Teilung eines Impulses in 32 Mikroschritte theoretisch, dass eine Sekunde 480 × 32 = 15.360 Mikroschritte umfasst, sodass die Frequenz der Mikroschritte 15.360 Hz = 15,36 kHz beträgt. Da als Grundfrequenz der PWM-Steuerung 25 kHz bestimmt wird, umfasst der PWM-Steuerimpuls in einem Zyklus des Mikroschritts theoretisch 25/15,36 = 1,63 Zyklen (1,63 Stück).
  • JP 2003-309999 A offenbart eine Technik zum Mikroschrittantrieb eines Schrittmotors. JP 2003-309999 A offenbart außerdem eine Schrittmotor-Antriebsvorrichtung, die das Entstehen von Geräuschen durch den Motorantrieb unterdrückt und die Belastung der Steuerverarbeitung durch den Mikrocomputer verringern kann.
  • Die Schrittmotor-Antriebsvorrichtung in JP 2003-309999 A weist ein Steuerungsmittel auf, das den Teiler eines Zyklus derart steuert, dass das Produkt der Frequenz des Antriebssignals des Schrittmotors und des Teilers des Signals in einem Zyklus über den gesamten Antriebsgeschwindigkeitsbereich des Motors eine konstante Frequenz ergibt, sowie ein Filter auf, das den Geräuschpegel des konstanten Frequenzsignals dämpft.
  • BESCHREIBUNG
  • Nähern sich die in einem Mikroschrittzyklus umfassten Vielfachen der PWM-Grundfrequenz (Tastfrequenz) der Eigenfrequenz des Motors, entstehen Resonanzerscheinungen. Entstehen Resonanzerscheinungen, führt dies zu Vibrationen und zu Geräuschen des Motors. Durch die Technologie in JP 2003-309999 A können Vibrationen und Geräusche des Motors, die aufgrund dieser Erscheinung entstehen, nicht ausgeräumt werden.
  • Die vorliegende Erfindung beabsichtigt die Bereitstellung einer Motorantriebssteuervorrichtung, eines Steuerverfahrens der Motorantriebssteuervorrichtung, eines Steuerprogramms der Motorantriebssteuervorrichtung und eines Verfahrens zur Bestimmung des Teilers eines Grundschrittwinkels (die Anzahl der Mikroschritte) als Maßnahme gegen Vibrationen und Geräusche eines Motors.
  • Zur Lösung der vorstehenden Aufgabe handelt es sich bei der Motorantriebssteuervorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung um eine Motorantriebssteuervorrichtung, die einen Schrittmotor in Mikroschritten antreibt, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Anzahl der in einem Mikroschrittzyklus umfassten PWM (Pulsweitenmodulations)-Zyklen gesteuert wird.
  • Sind die PWM-Grundfrequenz als f1, die Eigenfrequenz des Motors als f0, die Anzahl der in einem Mikroschrittzyklus umfassten PWM-Zyklen als m und der die Marge für die Eigenfrequenz anzeigende Koeffizient als k gegeben, erfüllt dabei die Motorantriebssteuervorrichtung bevorzugt die Beziehung von m ≥ k × f1/f0.
  • Bevorzugt steuert die Motorantriebssteuervorrichtung entsprechend der Drehzahl des Schrittmotors die Anzahl der in einem Mikroschrittzyklus umfassten PWM-Zyklen derart, dass diese größer oder gleich dem vorstehenden m ist.
  • Bevorzugt wird bei der Motorantriebssteuervorrichtung die Anzahl der in einem Mikroschrittzyklus umfassten PWM-Zyklen derart gesteuert, dass sich die Vibrationen, die in einer durch die Anzahl der in dem Mikroschrittzyklus umfassten PWM-Zyklen bestimmten Stromwellenform umfasst sind, nicht der Eigenfrequenz des Schrittmotors nähern.
  • Bevorzugt weist die Motorantriebssteuervorrichtung die Funktion auf, entsprechend der Drehzahl des Schrittmotors die Anzahl der in einem Mikroschrittzyklus umfassten PWM-Zyklen zu ändern.
  • Bevorzugt ergibt sich bei der Motorantriebssteuervorrichtung ein Mikroschritt aus der Teilung des Grundschrittwinkels des Schrittmotors, wobei die Motorantriebssteuervorrichtung durch das Einstellen des Teilers die Anzahl der in einem Mikroschrittzyklus umfassten PWM-Zyklen steuert.
  • Das Steuerverfahren der einen Schrittmotor in Mikroschritten antreibenden Motorantriebssteuervorrichtung gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass dieses die Anzahl der in einem Mikroschrittzyklus umfassten PWM (Pulsweitenmodulations)-Zyklen steuert.
  • Das Steuerprogramm der einen Schrittmotor in Mikroschritten antreibenden Motorantriebssteuervorrichtung gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung führt den Schritt zur Steuerung der Anzahl der in einem Mikroschrittzyklus umfassten PWM (Pulsweitenmodulations)-Zyklen auf einem Computer aus.
  • Das Verfahren zum Bestimmen des Teilers des Grundschrittwinkels (die Anzahl der Mikroschritte) bei der Motorantriebssteuervorrichtung, welche einen Schrittmotor in Mikroschritten antreibt, gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung bestimmt den Teiler des Grundschrittwinkels (die Anzahl der Mikroschritte) derart, dass sich die Vibrationen, die in einer durch die Anzahl der in dem Mikroschrittzyklus umfassten PWM-Zyklen bestimmten Stromwellenform umfasst sind, nicht der Eigenfrequenz des Schrittmotors nähern.
  • Erfindungsgemäß können eine Motorantriebssteuervorrichtung, ein Steuerverfahren der Motorantriebssteuervorrichtung, ein Steuerprogramm der Motorantriebssteuervorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung des Teilers eines Grundschrittwinkels (die Anzahl der Mikroschritte) als Maßnahme gegen Vibrationen und Geräusche eines Motors bereitgestellt werden.
  • Figurenliste
    • 1 ist ein Blockbild eines Motors und einer Motorantriebssteuervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 2 ist eine Ansicht, die den Schaltungsaufbau eines Schrittmotors schematisch darstellt.
    • 3 ist ein Ablaufdiagramm, das die durch die Motorantriebssteuervorrichtung durchgeführte Antriebsverarbeitung des Schrittmotors grob erläutert.
    • 4 ist eine erläuternde Darstellung, in der die Antriebsverarbeitung des Schrittmotors durch die Motorantriebssteuervorrichtung mit herkömmlicher Technik verglichen wird.
    • 5 ist ein Zeitdiagramm zur Erläuterung der durch eine Motorantriebssteuervorrichtung gemäß herkömmlicher Technik durchgeführten Antriebsverarbeitung eines Schrittmotors.
    • 6 ist ein Zeitdiagramm zur Erläuterung der durch die Motorantriebssteuervorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchgeführten Antriebsverarbeitung des Schrittmotors.
    • 7 ist ein Zeitdiagramm zur Erläuterung des Mikroschrittantriebs.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • 1 ist ein Blockbild eines Motors und einer Motorantriebssteuervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Wie in 1 dargestellt, weist die Vorrichtung 1 eine Motorantriebssteuervorrichtung 10, einen Schrittmotor 20, ein nicht dargestelltes Getriebegehäuse und ein diese aufnehmendes Gehäuse auf. Der Schrittmotor 20 wird z. B. mittels einer 2-Phasen-Erregung, nämlich der A-Phase und der B-Phase angetrieben. Der Schrittmotor 20 weist eine A-Phasen-Spule und eine B-Phasen-Spule (in 2 dargestellt) auf. Der Schrittmotor 20 wird durch die Zufuhr von elektrischer Antriebsleistung von der Motorantriebssteuervorrichtung 10 zu den Spulen der jeweiligen Phasen angetrieben. Der Schrittmotor 20 kann z. B. als Aktuator für eine Klimatisierungsvorrichtung, mit der ein Fahrzeug ausgerüstet wird, benutzt werden. Der Zweck des Schrittmotors 20 ist dabei jedoch nicht auf diesen Zweck beschränkt.
  • Der Schrittmotor 20 weist daher Spulen mehrerer Phasen auf. Die Motorantriebssteuervorrichtung 10 steuert den Stromzufuhrzustand der Spulen der jeweiligen Phasen. Ferner weist die Motorantriebssteuervorrichtung 10 eine den Grundschrittwinkel unterteilende Mikroschrittfunktion auf.
  • Die Motorantriebssteuervorrichtung 10 weist eine Steuerschaltung 12 und eine Antriebsschaltung 14 auf.
  • Die Antriebsschaltung 14 weist ein Motorantriebsteil 142 und einen Stromsensor 144 auf. Die Antriebsschaltung 14 führt dem Schrittmotor 20 elektrische Antriebsleistung zu und treibt damit den Schrittmotor 20 an.
  • Die Steuerschaltung 12 weist eine CPU (Zentralprozessor; ein Beispiel eines Computers) 122, ein Strommessteil 124 und ein Gegen-EMK(Elektromotorische Kraft/Spannung)-Messteil 126 auf. Die Steuerschaltung 12 steuert den Antrieb des Schrittmotors 20 durch die Steuerung der Antriebsschaltung 14. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Steuerschaltung 12 als IC (integrierter Schaltkreis) verpackt.
  • Beim Motorantriebsteil 142 handelt es sich um ein Modul, das an die Spulen der jeweiligen Phasen des Schrittmotors 20 eine Spannung anlegt. An das Motorantriebsteil 142 wird von der CPU 122 ein Steuersignal gesendet. Das Motorantriebsteil 142 legt die Spannung basierend auf dem Steuersignal an. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die Antriebsschaltung 14 und der Schrittmotor 20 über die vier Leitungen des Pluspols (+) der A-Phase, des Minuspols (-) der A-Phase, des Pluspols (+) der B-Phase und des Minuspols (-) der B-Phase verbunden. Das Motorantriebsteil 142 führt dem Schrittmotor 20 entsprechend dem Steuersignal über die jeweiligen Leitungen elektrische Antriebsleistung zu.
  • Bei dem Stromsensor144 handelt es sich um ein Modul, das den in den Spulen der jeweiligen Phasen des Schrittmotors 20 fließenden Strom (Spulenstrom) abtastet. Der Stromsensor 144 gibt das Abtastergebnis des Spulenstroms an das Strommessteil 124 aus.
  • Bei dem Strommessteil 124 handelt es sich um ein Modul, das den Spulenstrom des Schrittmotors 20 misst. In das Strommessteil 124 wird das von dem Stromsensor 144 ausgegebene Abtastergebnis des Spulenstroms eingegeben. Das Strommessteil 124 misst den Spulenstrom basierend auf dem eingegebenen Abtastergebnis. Das Strommessteil 124 gibt das Messergebnis des Spulenstroms an die CPU 122 aus.
  • Bei dem Gegen-EMK-Messteil 126 handelt es sich um ein Modul, das die in die Spulen der jeweiligen Phasen des Schrittmotors 20 induzierte Gegen-EMK misst. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das Gegen-EMK-Messteil 126 mit den jeweiligen vier Leitungen verbunden, die die Antriebsschaltung 14 mit dem Schrittmotor 20 verbinden. Das Gegen-EMK-Messteil 126 gibt das Messergebnis der Gegen-EMK an die CPU 122 aus.
  • In die CPU 122 werden das von dem Strommessteil 124 ausgegebene Messergebnis des Spulenstroms und das von dem Gegen-EMK-Messteil 126 ausgegebene Messergebnis der Gegen-EMK eingegeben. Die CPU 122 erzeugt Steuersignale zum Steuern der an den Schrittmotor 20 angelegten Spannung. Die CPU 122 erzeugt beim Antreiben des Schrittmotors 20 basierend auf dem Messergebnis des Spulenstroms Steuersignale. Die CPU 122 gibt die erzeugten Steuersignale an das Motorantriebsteil 142 aus.
  • 2 ist eine den Schaltungsaufbau des Schrittmotors 20 schematisch darstellende Figur.
  • Wie in 2 dargestellt, weist der Schrittmotor 20 zwei Spulen 21a, 21b, einen Rotor 22 und mehrere Statorjoche (nicht dargestellt) auf.
  • Bei den Spulen 21a, 21b handelt es sich jeweils um Spulen, die die Statorjoche magnetisieren. Die Spulen 21a, 21b sind jeweils mit der Antriebsschaltung 14 verbunden. Bei der Spule 21a handelt es sich um eine A-Phasen-Spule. Bei der Spule 21b handelt es sich um eine B-Phasen-Spule. In den Spulen 21a, 21b fließt jeweils eine Spulenspannung mit unterschiedlicher Phase.
  • Der Rotor 22 weist in Umfangsrichtung einen Dauermagneten auf, der multipolar magnetisiert ist, sodass der Südpol 22s und der Nordpol 22n abwechselnd invertieren. Im Übrigen ist in 2 der Rotor 22 derart vereinfacht dargestellt, dass jeweils ein Südpol 22s und ein Nordpol 22n vorgesehen sind. Die Statorjoche sind am Umfang des Rotors 22, an den Außenumfang des Rotors 22 angenähert, angeordnet. Der Rotor 22 dreht sich dadurch, dass die Phase des jeweils in den Spulen 21a, 21b fließenden Spulenstroms zyklisch wechselt.
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform legt die Motorantriebskomponente 142 beim Antreiben des Schrittmotors 20 jeweils an die Spulen 21a, 21b eine pulsweitenmodulierte Impulsspannung an.
  • Der Schrittmotor 20 wird wie folgt angetrieben. Das heißt, an die Spule 21a wird eine Impulsspannung derart angelegt (Spulenspannung Va), dass sich die Polarität des Spulenstroms Ia (d. h. die Richtung des Spulenstroms Ia) in einem bestimmten Zyklus ändert. Andererseits wird an die Spule 21b im gleichen Zyklus wie bei der Spule 21a eine Impulsspannung angelegt (Spulenspannung Vb). An die Spule 21a wird die Impulsspannung derart angelegt, dass sich die Polarität des Spulenstroms Ib (d. h. die Richtung des Spulenstroms Ib) um eine gegenüber dem Spulenstrom Ia bestimmte Phase verzögert ändert.
  • Fließt in den Spulen 21a, 21b jeweils der Spulenstrom Ia, Ib, werden die Statorjoche der Spulen 21a, 21b entsprechend der Polarität des Spulenstroms Ia, Ib magnetisiert. Dadurch dreht sich der Rotor 22 in einer bestimmten Schritteinheit.
  • 3 ist ein Ablaufdiagramm, das die durch die Motorantriebssteuervorrichtung 10 durchgeführte Antriebsverarbeitung des Schrittmotors 20 grob erläutert.
  • Die Verarbeitung des Ablaufdiagramms wird durch die CPU 122 ausgeführt. Bei der CPU 122 handelt es sich um einen Mikrocomputer, in dem eine nichtflüchtige Speichervorrichtung, die ein durch die CPU auszuführendes Programm speichert, und ein Speicher integriert sind.
  • In Schritt S101 berechnet die CPU 122 den Zyklus der PWM (PWM-Zyklus der PWM-Grundfrequenz). Der PWM-Zyklus kann auch vorab als Konstante gespeichert werden. In Schritt S103 berechnet die CPU 122 die Drehgeschwindigkeit des Schrittmotors 20. Beispielsweise wird die Motordrehgeschwindigkeit 360 pps (Puls/Sek), 480 pps, 640 pps, 800 pps usw. berechnet.
  • In Schritt S105 beurteilt die CPU 122, ob in die Zeitspanne von 1/(2^n) (wobei ,,2^n“ die n-te Potenz von 2 darstellt) eines Zyklus des elektrischen Winkels (ein Zyklus des Motorantriebsimpulses) ein PWM-Zyklus drei Mal hineinpasst. Dabei wird n der Reihe nach durch die Werte von 5, 4, 3, 2, 1 substituiert, wobei zum Zeitpunkt von „YES“ ein Übergang zu Schritt S107 erfolgt. Dabei handelt es sich um die Verarbeitung zur Bestimmung der Anzahl der Mikroschritte während eines Zyklus des elektrischen Winkels (Teiler, welcher sich aus den Mikroschritten eines Zyklus des elektrischen Winkels ergibt), wenn ein Zyklus des elektrischen Winkels (ein Zyklus des Motorantriebsimpulses) durch Mikroschritte geteilt wird. Bei der Verarbeitung in Schritt S105 handelt es sich darum, dass ein Zyklus eines Mikroschritts während eines Zyklus des elektrischen Winkels einen Zyklus der PWM mindestens drei Mal umfasst, und außerdem die Anzahl der Mikroschritte möglichst erhöht wird. Bei (2^n) handelt es sich um den Teiler eines Zyklus des elektrischen Winkels. Um n der Reihe nach durch die Werte von 5, 4, 3, 2, 1 zu substituieren, werden der Reihe nach 32, 16, 8, 4, 2 als Teiler ausgewählt. Sofern eine Berechnung durch die CPU möglich ist, kann n auch der Reihe nach ab 6 oder höher substituiert werden. Ferner ist als Teiler auch die Zahl „1“ möglich, wenn durch den Teiler „2“ nicht geteilt werden kann.
  • Ferner kann auch, indem wie in 3 in Schritt S105a dargestellt, n = 6 - i gegeben sein, und i der Reihe nach durch die Zahlenwerte von 1, 2, 3, 4, 5 substituiert werden, und die gleiche Verarbeitung wie in Schritt S105 erfolgen.
  • In Schritt S107 wird die Zeitlänge eines Mikroschritts derart eingestellt, dass (2^n) Mikroschritte in einen Zyklus des elektrischen Winkels (ein Zyklus des Motorantriebsimpulses) hineinpassen (der Teiler eines Zyklus des elektrischen Winkels (2^n) wird) und der Motorantrieb durchgeführt.
  • 4 ist eine erläuternde Darstellung, in der die Antriebsverarbeitung des Schrittmotors 20 durch die Motorantriebssteuervorrichtung 10 mit herkömmlicher Technik verglichen wird.
  • In 4 ist die Anzahl der in einem Zyklus des elektrischen Winkels (ein Zyklus des Motorantriebsimpulses) umfassten Mikroschritte jeweils für den Fall dargestellt, dass die Motordrehzahl 360 pps (Puls/sek), 480 pps, 640 pps, 800 pps beträgt. Die Spalte von „bei zwei PWM in einem Mikroschritt“ stellt die Steuerung herkömmlicher Technik dar. Bei der herkömmlichen Technik beträgt die Anzahl der in einem Zyklus des elektrischen Winkels (einem Zyklus des Motorantriebsimpulses) umfassten Mikroschritte 32, wobei diese Zahl auch dann unverändert bleibt, wenn sich die Drehzahl ändert. Da ein Mikroschrittzyklus auf etwa zwei PWM-Zyklen eingestellt ist, werden etwa zwei (oder weniger) PWM-Zyklen von einem Mikroschrittzyklus umfasst.
  • Werden die Mikroschritte bei der herkömmlichen Technik in Frequenzen ausgedrückt, ergeben sich:
    • - bei 360 pps: 360 × 32 = 11,52 kHz
    • - bei 480 pps: 480 × 32 = 15,36 kHz
    • - bei 640 pps: 640 × 32 = 20,48 kHz
    • - bei 800 pps: 800 × 32 = 25,60 kHz.
  • Zunächst wird die Problematik der herkömmlichen Technik erläutert.
  • 5 ist ein Zeitdiagramm, das die durch eine Motorantriebssteuervorrichtung gemäß der herkömmlichen Technik durchgeführte Antriebsverarbeitung des Schrittmotors erläutert.
  • In 5 stellt die horizontale Achse die Zeit dar, wobei von oben der Reihe nach die Werte der in den Motorspulen fließenden Ströme, der Mikroschrittzyklus und die Form (Wellenform) der PWM-Impulse dargestellt sind. Bei der herkömmlichen Technik sind in einem Mikroschrittzyklus weniger als drei PWM-Zyklen (in der Figur ca. 2,5 Mal) umfasst.
  • Die PWM-Grundfrequenz ist, wie vorstehend ausgeführt, auf 25 kHz (fest) eingestellt. Ferner verkleinert sich insbesondere bei einem kleinformatigen Motor die Größe des verwendeten Jochs. Daher erhöht sich die Eigenfrequenz des Motors, sodass er eine Resonanz von etwa 10 kHz (z. B. 12,5 kHz usw.) aufweist. Bei der herkömmlichen Technik sind in einem Mikroschrittzyklus etwa zwei PWM-Zyklen umfasst. Dadurch wird im Strom 12,5 kHz umfasst und 12,5kHz ist das Doppelte der PWM-Frequenz von 25 kHz. Da in der Stromwellenform an die Eigenfrequenz des Motors angenäherte harmonische Anteile umfasst sind, entstehen Resonanzerscheinungen, sodass Motorvibrationen und -geräusche entstehen. Auch bei einer anderen PWM-Grundfrequenz als 25 kHz entsteht beim Auftreten einer bestimmten halben Wellenlänge dasselbe Problem.
  • Die Spalte von „bei drei PWM in einem Mikroschritt“ in 4 stellt die Steuerung der vorliegenden Ausführungsform dar.
  • Wie in dem Ablaufdiagramm in 3 dargestellt, führt die Motorantriebssteuervorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, selbst für den Fall, dass sich die Drehgeschwindigkeit des Motors (während einer Sekunde umfasste Anzahl von Antriebsimpulsen) ändert, die Steuerung derart aus, dass in einen Mikroschritt (1/(2^n) eines Zyklus des elektrischen Winkels (eines Zyklus des Motorantriebsimpulses)) ein PWM-Zyklus drei Mal hineinpasst. Dadurch wird, wenn sich die Drehgeschwindigkeit des Motors erhöht, der Teiler (2^n) der Mikroschritte verringert, sodass eine den Zyklus eines Mikroschritts verlängernde Steuerung durchgeführt wird.
  • Werden die Mikroschritte bei der vorliegenden Ausführungsform in 4 in Frequenzen ausgedrückt, ergeben sich:
    • - bei 360 pps: 360 × 16 = 5,76 kHz
    • - bei 480 pps: 480 × 16 = 7,68 kHz
    • - bei 640 pps: 640 × 8 = 5,12 kHz
    • - bei 800 pps: 800 × 8 = 6,40 kHz.
    Bei jeder der Geschwindigkeiten sind in einem Mikroschrittzyklus mindestens drei PWM-Zyklen umfasst.
  • 6 ist ein Zeitdiagramm, das die durch die Motorantriebssteuervorrichtung 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchgeführte Antriebsverarbeitung des Schrittmotors 20 erläutert.
  • In 6 stellt die horizontale Achse die Zeit dar, wobei von oben der Reihe nach die Werte der in den Motorspulen fließenden Ströme, der Mikroschrittzyklus und die Form (Wellenform) der PWM-Impulse dargestellt sind. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind in einem Mikroschrittzyklus mindestens drei (in der 3,5 Mal) PWM-Zyklen umfasst.
  • Im Übrigen wird bevorzugt dafür gesorgt, dass das Verhältnis der PWM-Grundfrequenz f1, der Eigenfrequenz f0 des Motors und der Anzahl m der in einem Mikroschrittzyklus umfassten PWM-Zyklen (Stückzahl der Impulssignale der PWM-Grundfrequenz), die folgende Formel erfüllt. f 0 ÷ k ≥ f 1 / m
    Figure DE102018105347A1_0001
    Dabei handelt es sich bei k um den Margen-Koeffizienten für die Eigenfrequenz des Motors, wobei z. B. √2 verwendet wird. Es ist jedoch auch möglich, k als „1“ zu berechnen.
  • Durch Umformung der vorstehenden Formel kann die Stückzahl von m so eingestellt werden, dass sich m ≥ k × f 1 / f 0
    Figure DE102018105347A1_0002
    ergibt. Das heißt, dass die Anzahl der in einem Mikroschrittzyklus umfassten PWM-Zyklen derart gesteuert wird, dass diese größer oder gleich m ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die PWM-Grundfrequenz f1 = 25 kHz und die Motor-Eigenfrequenz f0 = 12,5 kHz, sodass die rechte Seite der vorstehenden Formel zu 1,4 × 25 / 12,5 = 2,8
    Figure DE102018105347A1_0003
    wird. Daher ist ersichtlich, dass die Einstellung der Anzahl m der in einem Mikroschrittzyklus umfassten PWM-Zyklen (Stückzahl der Impulssignale der PWM-Grundfrequenz) auf mindestens 2,8 wünschenswert ist.
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform wird die Anzahl der in einem Mikroschrittzyklus umfassten PWM-Zyklen wie vorstehend gesteuert.
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform wird die Anzahl der in einem Mikroschrittzyklus umfassten PWM-Zyklen derart gesteuert, dass sich die in einer durch die Anzahl der in dem Mikroschrittzyklus umfassten PWM-Zyklen bestimmten Stromwellenform umfassten Vibrationen nicht der Eigenfrequenz des Schrittmotors 20 nähern. Konkret wird die Anzahl der PWM-Zyklen derart gesteuert, dass sich die PWM-Grundfrequenz ÷ die (in einem Mikroschrittzyklus umfasste) harmonischen Anteile der Anzahl der PWM-Zyklen nicht der Eigenfrequenz des Motors nähern (bei der vorstehenden Ausführungsform erfolgt eine derartige Änderung, dass ein Mikroschrittzyklus der 3-fachen Anzahl des PWM-Zyklus entspricht, sodass der Peak von der Eigenfrequenz des Motors von 12,5 kHz verschoben ist. Ideal beträgt dabei, wenn ein Mikroschrittzyklus auf den 3-fachen Anteil der Anzahl des PWM-Zyklus gesetzt wurde, die Frequenz des Mikroschritts etwa 8 kHz = 25 kHz/3).
  • Gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist die Motorantriebssteuervorrichtung 10 die Funktion auf, entsprechend der Drehzahl des Schrittmotors 20 die Anzahl der in einem Mikroschrittzyklus umfassten PWM-Zyklen zu ändern. Konkret wird der Teiler der Mikroschritte entsprechend der Drehzahl des Schrittmotors 20 derart eingestellt, dass die Anzahl der in einem Mikroschrittzyklus umfassten PWM-Zyklen zumindest die vorstehende Anzahl beträgt. Das heißt, durch das Einstellen des Teilers der Mikroschritte wird die Anzahl der in einem Mikroschrittzyklus umfassten PWM-Zyklen gesteuert.
  • Im Übrigen wird bei dem Steuerverfahren der einen Schrittmotor 20 in Mikroschritten antreibenden Motorantriebssteuervorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Anzahl der in einem Mikroschrittzyklus umfassten PWM-Zyklen gesteuert.
  • Ferner führt das Steuerprogramm der Motorantriebssteuervorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform den Schritt zur Steuerung der Anzahl der in einem Mikroschrittzyklus umfassten PWM-Zyklen auf einem Computer aus.
  • Außerdem wird bei der vorliegenden Ausführungsform als Verfahren zur Bestimmung des Teilers des Grundschrittwinkels (die Anzahl der Mikroschritte) bei der Motorantriebssteuervorrichtung 10, welche einen Schrittmotor 20 in Mikroschritten antreibt, der Teiler des Grundschrittwinkels (die Anzahl der Mikroschritte) derart bestimmt, dass sich die Vibrationen, die in einer durch die Anzahl der in einem Mikroschrittzyklus umfassten PWM-Zyklen bestimmten Stromwellenform umfasst sind, nicht der Eigenfrequenz des Schrittmotors 20 nähern.
  • [Wirkungen der vorliegenden Ausführungsform]
  • Durch die vorliegende Ausführungsform ergeben sich folgende Wirkungen:
    1. (1) Die Steuerung kann derart erfolgen, dass in der Stromwellenform an die Eigenfrequenz des Motors angenäherte harmonische Anteile nicht umfasst sind. Daher ist ein Fernhalten der in der Stromwellenform entstehenden Frequenzen von der Resonanzfrequenz möglich, sodass das Auftreten von Resonanzerscheinungen des Motors verhindert werden kann. Dadurch werden Vibrationen und Geräusche des Motors reduziert.
    2. (2) Bei jeder Drehzahl (auch bei einer hohen Drehzahl) kann die Einstellung der Anzahl der PWM-Zyklen leicht realisiert werden.
    3. (3) Es ist denkbar, harmonische PWM-Signale zur Realisierung einer angestrebten Stromwellenform durch PWM zu verwenden. Wird, wie bei der vorliegenden Ausführungsform, die Anzahl der Mikroschritte gesteuert und wird die Stückzahl der in einem Mikroschrittzyklus umfassten Impulssignale geändert, ist die Realisierung einer angestrebten Stromform durch PWM durch eine preiswerte CPU realisierbar, ohne dass zur Handhabung der harmonischen PWM-Signale eine teure CPU mit hoher Verarbeitungsgeschwindigkeit erforderlich ist.
  • [Abwandlung]
  • Die Eigenfrequenz des Motors ist nicht auf das Vorstehende beschränkt.
  • Die geringste Anzahl an PWM-Zyklen beträgt bei der vorstehend angegebenen Ausführungsform drei, wobei sich dies entsprechend der PWM-Grundfrequenz, der Eigenfrequenz des Motors usw., ändert.
  • Die PWM-Grundfrequenz ist nicht auf das Vorstehende beschränkt. Ferner ist die Beziehung zwischen der Drehzahl und der Zahl der Mikroschritte nicht auf diejenigen in 4 beschränkt.
  • Bei den vorstehenden Ausführungsformen ist zu beachten, dass es sich bei sämtlichen Punkten um die Anführung von Beispielen handelt, ohne dass eine Beschränkung hierauf besteht. Der Umfang der vorliegenden Erfindung ist nicht in der vorstehenden Erläuterung, sondern in den Patentansprüchen dargestellt, wobei ein Umfassen von sämtlichen Abwandlungen im gleichen Sinne und innerhalb des Bereichs der Patentansprüche beabsichtigt wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Motorantriebssteuervorrichtung
    12
    Steuerschaltung
    14
    Antriebsschaltung
    20
    Schrittmotor
    21A, 21b
    Spulen
    26
    Rotor
    22n
    Nordpol
    22s
    Südpol
    122
    CPU (Zentralprozessor; ein Beispiel eines Computers)
    124
    Strommessteil
    126
    Gegen-EMK-Messteil
    142
    Motorantriebskomponente
    144
    Stromsensor
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2003309999 A [0010, 0011, 0012]

Claims (9)

  1. Motorantriebssteuervorrichtung (10), die einen Schrittmotor (20) in Mikroschritten antreibt, dadurch gekennzeichnet, dass diese die Anzahl der in einem Mikroschrittzyklus umfassten PWM (Pulsweitenmodulations)-Zyklen steuert.
  2. Motorantriebssteuervorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei wenn die PWM-Grundfrequenz als f1, die Eigenfrequenz des Motors als f0, die Anzahl der in einem Mikroschrittzyklus umfassten PWM-Zyklen als m und der die Marge für die Eigenfrequenz anzeigende Koeffizient als k gegeben sind, die Beziehung von m ≥ k × f 1 / f 0
    Figure DE102018105347A1_0004
    erfüllt.
  3. Motorantriebssteuervorrichtung (10) nach Anspruch 2, wobei die Steuerung derart erfolgt, dass entsprechend der Drehzahl des Schrittmotors (20) die Anzahl der in einem Mikroschrittzyklus umfassten PWM-Zyklen größer oder gleich dem vorstehenden m ist.
  4. Motorantriebssteuervorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Anzahl der in einem Mikroschrittzyklus umfassten PWM-Zyklen derart gesteuert wird, dass sich die in einer durch die Anzahl der in dem Mikroschrittzyklus umfassten PWM-Zyklen bestimmten Stromwellenform umfassten Vibrationen nicht der Eigenfrequenz des Schrittmotors (20) nähern.
  5. Motorantriebssteuervorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die die Funktion aufweist, entsprechend der Drehzahl des Schrittmotors (20) die Anzahl der in einem Mikroschrittzyklus umfassten PWM-Zyklen zu ändern.
  6. Motorantriebssteuervorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei sich ein Mikroschritt aus der Teilung des Grundschrittwinkels des Schrittmotors (20) ergibt, und durch das Einstellen des Teilers die Anzahl der in einem Mikroschrittzyklus umfassten PWM-Zyklen gesteuert wird.
  7. Steuerverfahren einer Motorantriebssteuervorrichtung (10), die einen Schrittmotor (20) in Mikroschritten antreibt, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der in einem Mikroschrittzyklus umfassten PWM (Pulsweitenmodulations)-Zyklen gesteuert wird.
  8. Steuerprogramm der Motorantriebssteuervorrichtung (10), die einen Schrittmotor (20) in Mikroschritten antreibt, wobei der Schritt zur Steuerung der Anzahl der in einem Mikroschrittzyklus umfassten PWM (Pulsweitenmodulations)-Zyklen auf einem Computer (122) ausgeführt wird.
  9. Verfahren zur Bestimmung des Teilers eines Grundschrittwinkels bei einer einen Schrittmotor (20) in Mikroschritten antreibenden Motorantriebssteuervorrichtung (10), wobei der Teiler des Grundschrittwinkels derart bestimmt wird, dass sich die in einer durch die Anzahl der in einem Mikroschrittzyklus umfassten PWM-Zyklen bestimmten Stromwellenform umfassten Vibrationen nicht der Eigenfrequenz des Schrittmotors (20) nähern.
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