DE102020206676A1

DE102020206676A1 - Steuereinheit und verfahren zum erfassen von stillstand oder schrittverlust in einem schrittmotor

Info

Publication number: DE102020206676A1
Application number: DE102020206676.0A
Authority: DE
Inventors: Thippeswamy Girijal Rahul; Ramanna Shridhar Ramanna Shridhar
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Robert Bosch Engineering and Business Solutions Pvt Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Bosch Global Software Technologies Pvt Ltd
Priority date: 2019-05-29
Filing date: 2020-05-28
Publication date: 2020-12-03
Also published as: US11374518B2; JP2021002994A; US20200382028A1

Abstract

Die Steuereinheit 102 ist dafür ausgebildet, einen ersten Parameter aus dem Gegen-EMK-Signal zu bestimmen und mindestens einen dem ersten Parameter entsprechenden zweiten Parameter aus dem Gegen-EMK-Signal zu bestimmen. Die Steuereinheit 102 verifiziert ferner auf Grundlage des ersten Parameters mindestens eine den mindestens einen zweiten Parameter enthaltende Bedingung und erfasst Stillstand oder Schrittverlust in dem Schrittmotor 110 auf Grundlage der Verifizierung. Die vorliegende Erfindung verwendet eine Mustererfassung durch Identifizieren der charakteristischen Merkmale der Spitzen des Gegen-EMK-Signals, bei welchen es sich um Abfolge (n), Stärke und Polarität handelt. Diese charakteristischen Merkmale sind unabhängig von Drehzahl, Spiel und Last und erfordern keine komplexen Berechnungen und sind auch bei geringeren Drehzahlen sehr robust.

Description

Bezeichnung der Erfindung:
STEUEREINHEIT UND VERFAHREN ZUM ERFASSEN VON STILLSTAND ODER SCHRITTVERLUST IN EINEM SCHRITTMOTOR
Vollständige Spezifikation:
Die nachfolgende Spezifikation beschreibt und bestimmt das Wesen dieser Erfindung und die Art und Weise, in der sie auszuführen ist.
Gebiet der Erfindung:
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuereinheit und ein Verfahren zum Erfassen von Stillstand oder Schrittverlust beim Antrieb eines Schrittmotors.
Hintergrund der Erfindung:
Sensorlose Erfassung von Stillstand und Schrittverlusten in auf Schrittmotoren beruhenden Systemen sind in verschiedenen Systemen notwendig. Im System ist bei unterschiedlicher Last und unterschiedlichem Spiel ein Motorbetrieb mit einer geringeren Drehzahl (UpM) erforderlich, wobei die bestehenden Lösungen nicht in der Lage sind, Stillstand oder Schrittverlust zu erfassen. Die Stillstandserfassung muss eine Referenzposition erzielen, und eine fehlende Erfassung führt zu übermäßigem Antrieb des Aktuators, was zu verringerter Betriebszeit oder allmählicher Beschädigung des Antriebs führt. Die Stillstandserfassung wird zudem verwendet, um am Einsatzort gegebenenfalls auftretende Beschädigungen eines Produkts wie beispielsweise eine Beschädigung der Antriebsmechanik oder gar einen Motorschaden zu erfassen. Die bestehenden Lösungen extrahieren die gegenelektromotorische Kraft (Gegen-EMK) aus einer nicht erregten Spule und verwenden einen grenzwertbasierten Vergleich, um Stillstand oder Schrittverlust zu erfassen. Der Grenzwert wird entweder dynamisch aus der Drehzahl abgeleitet oder für ein jeweiliges System statisch festgelegt bzw. kalibriert.
Das Prinzip der Stillstandserfassung wird in vielen Systemen verwendet. In den meisten Systemen wird der Schrittmotor mit hoher Drehzahl betrieben oder in einem System mit geringerem Spiel oder ohne dynamische Lastentwicklung betrieben, wobei die Stillstandserfassung stabil ist. Bei dem in bestehenden Lösungen verwendeten Prinzip handelt es sich um die Überwachung der Gegen-EMK. Der Stillstand wird erfasst, wenn die Gegen-EMK unter einen bestimmten Grenzwert fällt oder die Gegen-EMK im Falle eines Stillstands gegen null geht. Bei schwankender Last und schwankendem Spiel im Antrieb bei niedrigen Drehzahlen (ideal gewählt bei Drehmomentbedarf oder zur Vermeidung von Resonanzen) ist die Stillstandserfassung tendenziell nicht robust. Allgemein gibt es verschiedene Produkte auf dem Markt, die einen Schrittmotor verwenden. Die Stillstandserfassung wird hauptsächlich verwendet, um Schäden im mechanischen Antrieb zu erfassen oder um eine Referenzposition zu erhalten, und die Schrittverlusterfassung wird zur groben Korrektur verwendet.
Das Patentdokument US20110181229 offenbart eine Vorrichtung, ein System und ein Verfahren zur Stillstandserfassung in Schrittmotoren. Offenbart werden eine Vorrichtung, ein System und ein Verfahren zur Stillstandserfassung in Schrittmotoren. Ein Umwandlungsmodul empfängt eine Gegen-EMK-Wellenform, die in einer nicht erregten Spule des Schrittmotors durch ein Magnetfeld eines Rotors des Schrittmotors während eines Vollschrittbetriebs produziert wird, und tastet die Wellenform in Intervallen beginnend zu einem vorab bestimmten Zeitpunkt für eine vorab bestimmte Zeitperiode während des Vollschrittbetriebs ab, um eine Vielzahl von Abtastdatenpunkten zu erhalten. Ein Gleichrichtermodul führt eine Gleichrichtung der Wellenform um einen vorab bestimmten Ruhepegel durch. Ein Vergleichsmodul akkumuliert die gleichgerichteten Abtastdatenpunkte zu einem statistisch repräsentativen Abtastwert, vergleicht den repräsentativen Abtastwert mit einem vorab bestimmten Grenzpegel und zeigt einen Stillstand des Rotors an, falls der repräsentative Abtastwert geringer ist als der vorab bestimmte Grenzpegel.
Figurenliste
Eine Ausführungsform der Offenbarung wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei

1 ein Blockschaltbild einer Steuereinheit für einen Schrittmotor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
2 ein das Gegen-EMK-Signal betreffendes Diagramm gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
3 mehrere Fälle der Erfassung von Stillstand oder Schrittverlust gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; und
4 ein Verfahren zum Erfassen von Stillstand oder Schrittverlust im Schrittmotor gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.

Ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen:
1 veranschaulicht ein Blockschaltbild einer Steuereinheit für einen Schrittmotor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein die Steuereinheit 102 umfassendes System 100 ist dafür vorgesehen, Stillstand oder Schrittverlust im Schrittmotor 110 zu erfassen. Der Stillstand im Schrittmotor kann durch den mechanischen Antrieb verursacht sein. Der Schrittmotor 110 umfasst einen Rotor 112 wie beispielsweise einen Magnet und einen Stator wie beispielsweise Feldspulen oder -pole. Beim beschriebenen Schrittmotor 110 handelt es sich um einen solchen mit zwei Feldspulen, d.h. einer ersten Spule 106 und einer zweiten Spule 108. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf den auf zwei Feldspulen beruhenden Schrittmotor 110 eingeschränkt, sondern gilt auch für einen Schrittmotor 110 mit mehreren Polen. Die Steuereinheit 102 ist dafür ausgebildet, mindestens zwei Feldspulen (die erste Spule 106 und die zweite Spule 108) des Schrittmotors 110 durch eine Treiberschaltung 104 anzusteuern und ein eine gegenelektromotorische Kraft (Gegen-EMK) umfassendes elektrisches Signal wie in 2 gezeigt zu erfassen/lesen. Die Erfassung erfolgt durch eine Erfassungsschaltung 114 und einen Verstärker 116. Es kann auch eine beliebige andere Erfassungsschaltung 114 verwendet werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es ist gezeigt, dass die Erfassungsschaltung 114 über die erste Spule 106 angeschlossen ist. Die Erfassungsschaltung 114 ist auch über die zweite Spule 108 anschließbar. Ferner ist die Erfassungsschaltung 114 über sowohl die erste Spule 106 als auch die zweite Spule 108 anschließbar. Die Erfassungsschaltung 114 extrahiert/liest das Gegen-EMK-Signal des Schrittmotors 110 mit mittlerer Vorspannung.
Die vorliegende Erfindung ist unabhängig von der Art und Weise, in der das Gegen-EMK-Signal gelesen oder gemessen wird. Das Gegen-EMK-Signal wird in der vorliegenden Erfindung von einer nicht erregten Spule des Schrittmotors 110 erfasst, und Gleiches kommt in der gesamten Offenbarung zur Anwendung. Hierbei handelt es sich jedoch lediglich um ein Beispiel, das nicht als einschränkend aufzufassen ist. Die Steuereinheit 102 ist dafür ausgebildet, den Stillstand oder Schrittverlust für ein durch im Fachgebiet bekannte Schaltungen oder Verfahren erfasstes/gelesenes Gegen-EMK-Signal zu erfassen.
2 veranschaulicht ein das Gegen-EMK-Signal betreffendes Diagramm gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das erste Diagramm 200 umfasst eine Y-Achse 202, die den Strom in Ampere als erste Wellenform 208 und die Spannung in Volt für eine zweite Wellenform 210, d.h. das Gegen-EMK-Signal, darstellt. Die X-Achse 204 ist für die erste Wellenform 208 und die zweite Wellenform 210 die Zeit in geeigneten Einheiten. Beide Wellenformen sind gezeigt, nachdem bereits einige Zeit verstrichen ist, wie durch die gepunktete Linie am Anfang jeder Wellenform angezeigt wird. Das Gegen-EMK-Signal ist in einer positiven Phase und einer negativen Phase messbar. In Fortsetzung der 1 ist die Steuereinheit 102 ferner dafür ausgebildet, aus dem Gegen-EMK-Signal einen ersten Parameter zu bestimmen und aus dem Gegen-EMK-Signal mindestens einen dem ersten Parameter entsprechenden zweiten Parameter zu bestimmen. Die Steuereinheit 102 verifiziert ferner auf Grundlage des ersten Parameters mindestens eine Bedingung, die den mindestens einen zweiten Parameter enthält, und erfasst auf Grundlage der Verifizierung Stillstand oder Schrittverlust im Schrittmotor 110.
Bei dem durch die Steuereinheit 102 bestimmten ersten Parameter handelt es sich um eine Abfolge (n) von Spitzen im Gegen-EMK-Signal. Die Abfolge (n) entspricht der Anzahl an Spitzen im Gegen-EMK-Signal. Der mindestens eine zweite Parameter ist ausgewählt aus einer Gruppe, umfassend eine Polarität (P_n) jeder Spitze und eine Amplitude/Stärke (M_n) jeder Spitze. Die Erfassungsschaltung 114 wird verwendet, um die Abfolge (n), die Polarität (P_n) und die Stärke (M_n) der Spitze im Gegen-EMK-Signal zu extrahieren/erfassen. Während der Erfassung wird das in der ersten Spule 106 induzierte Gegen-EMK-Signal mit hoher Frequenz derart abgetastet, dass die Spitzen erfasst werden. Das erfasste Signal wird anschließend verstärkt, um eine Analyse durchzuführen, um den Stillstand oder Schrittverlust zu erfassen.
Die erste Wellenform 208 entspricht einem Betätigungssignal für die mindestens zwei Spulen. Im Falle eines zweipoligen Schrittmotors 110 zeigt ein Impuls in der ersten Wellenform 208 eine Betätigung der ersten Spule 106 an, während ein Fehlen des Impulses anzeigt, dass die erste Spule 106 nicht angesteuert wird. Zu der Zeit, während der die erste Spule 106 nicht angesteuert wird, kann jedoch gegebenenfalls die zweite Spule 108 angesteuert werden, was jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit in 2 nicht gezeigt ist. Ferner entspricht die positive Phase/der positive Zyklus dem Teil der Wellenform, der sich oberhalb der X-Achse (204, 206) befindet, und die negative Phase/der negative Zyklus dem Teil der Wellenform, der sich unterhalb der X-Achse (204, 206) befindet. Das in 2 gezeigte Gegen-EMK-Signal umfasst drei Spitzen ohne Stillstand oder Schrittverlust. Konkret zeigt ein erster Fall 230 das Gegen-EMK-Signal in der positiven Phase, ein zweiter Fall 232 das Gegen-EMK-Signal in der negativen Phase und ein dritter Fall 234 das Gegen-EMK-Signal in der positiven Phase und dergleichen.
Es ist auch ein vergrößerter Abschnitt 250 des Gegen-EMK-Signals dargestellt. Der vergrößerte Abschnitt 250 ist gezeigt, um die Stärke der Spitzen zu zeigen. Veranschaulicht sind eine erste Stärke 224 der ersten Spitze 212, eine zweite Stärke 224 der zweiten Spitze 214 und eine dritte Stärke 224 der dritten Spitze 216. Des Weiteren wird ein Zeitschlitz zwischen einem Zeitpunkt t₁ 218 und einem Zeitpunkt t₂ 220 als Totbereich betrachtet. Um eine Falscherfassung aufgrund von 384186 zu vermeiden, verarbeitet die Steuereinheit 102 das Gegen-EMK-Signal nach Ablauf des Totbereichs/Totfensters/der Totzeit. Der Totbereich wird somit bei der Erfassung von Stillstand oder Schrittverlust im Gegen-EMK-Signal nicht berücksichtigt. Der Zeitschlitz zwischen dem Zeitpunkt t₂ 220 und dem Zeitpunkt t₃ 222 ist ein Arbeitsbereich, in dem die Erfassung des Stillstands oder des Schrittverlusts durch die Steuereinheit 102 erfolgt. Zudem werden die Spitzen sowohl in der positiven als auch in der negativen Phase nur berücksichtigt, wenn die Stärke der Spitze oberhalb eines Grenzpegels liegt.
3 veranschaulicht mehrere Fälle der Erfassung von Stillstand oder Schrittverlust gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die 3 veranschaulicht ein zweites Diagramm 300 mit mehreren Wellenformen. Es ist zu beachten, dass das Diagramm nicht maßstabsgetreu ist und nur ein Versuch ist, die vorliegende Erfindung zu erläutern, und daher nicht einschränkend zu verstehen ist. Die erste Wellenform 208 stellt den Strom wie in 2 gezeigt dar. Entsprechend stellt die zweite Wellenform 210 das Gegen-EMK-Signal in Volt dar. Ein weiteres Beispiel des Gegen-EMK-Signals ist durch eine dritte Wellenform 302 gezeigt, in der nach dem Totbereich nur eine Spitze vorhanden ist, wohingegen in der zweiten Wellenform 210 zwei Spitzen vorhanden sind, nämlich eine oberhalb und die andere unterhalb der Achse. Die zweite Wellenform 210 und die dritte Wellenform 302 sind gezeigt, um ein klares Verständnis zu ermöglichen, und diese weisen keinen Stillstand oder Schrittverlust auf.
Die Steuereinheit 102 erfasst den Stillstand oder Schrittverlust im Schrittmotor 110, wenn die Abfolge gleich null ist, wie in der vierten Wellenform 304 veranschaulicht wird. Wenn im Gegen-EMK-Signal keine Spitzen vorhanden sind, erfasst die Steuereinheit 102 diesen Zustand als Stillstands- oder Schrittverlustzustand und zeichnet diesen in einem Speicherelement auf. Ein (in einer gepunkteten Umrandung abgebildetes) erstes Fenster 318 zeigt das Fehlen der Spitze. Dies gilt ebenso für eine positive Phase/einen positiven Zyklus des Gegen-EMK-Signals.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Steuereinheit 102 dafür ausgebildet, den Stillstand oder Schrittverlust im Schrittmotor 110 zu erfassen, wenn die Abfolge gleich null ist. Wenn die Abfolge (n) gleich eins ist, umfasst die mindestens eine durch die Steuereinheit 102 zu verifizierende Bedingung, dass die Polarität der ersten Spitze 212 eine aus der Gruppe ist, die negativ in der positiven Phase des Gegen-EMK-Signals und positiv in der negativen Phase des Gegen-EMK-Signals umfasst. Eine fünfte Wellenform 306 stellt das Gegen-EMK-Signal mit nur einer ersten Spitze 212 dar, wobei der Stillstand oder Schrittverlust in der negativen Phase erfasst wird. Ein zweites Fenster 320 zeigt den Stillstand oder Schrittverlust in der fünften Wellenform 306. Die Spitze im zweiten Fenster 320, welche oberhalb der (als gestrichelte Linie gezeigten) Achse liegt, wird als die erste Spitze 212 betrachtet. Da sie oberhalb der Achse liegt, ist die Polarität der ersten Spitze 212 positiv. Die beiden Spitzen unterhalb der Achse bleiben unberücksichtigt, da sie geringer als ein Grenzwert sind. Da die Polarität der ersten Spitze 212 in der negativen Phase positiv ist, erfasst die Steuereinheit 102 dies als Stillstand oder Schrittverlust und verzeichnet/speichert diesen im Speicherelement. Entsprechend stellt eine sechste Wellenform 308 eine Stillstands- oder Schrittverlusterfassung für eine einzelne Spitze in der positiven Phase dar. Ein drittes Fenster 322 zeigt, dass die Polarität der ersten Spitze 212 in der positiven Phase negativ ist. Die Steuereinheit 102 erfasst diesen Zustand als Stillstand oder Schrittverlust und speichert diesen im Speicherelement.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Steuereinheit 102 dafür ausgebildet, den Stillstand oder Schrittverlust zu erfassen, wenn die Abfolge (n) gleich zwei ist. Wenn die Abfolge gleich zwei ist, umfasst die mindestens eine durch die Steuereinheit 102 zu verifizierende Bedingung, dass die Polarität der ersten Spitze 212 bzw. der zweiten Spitze 214 ausgewählt ist aus einer Liste, die negativ bzw. positiv in der positiven Phase des Gegen-EMK-Signals und positiv bzw. negativ in der negativen Phase des Gegen-EMK-Signals umfasst. Eine Wellenform dieses Zustands ist nicht gezeigt, um die 3 übersichtlich zu halten.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Steuereinheit 102 dafür ausgebildet, den Stillstand oder Schrittverlust zu erfassen, wenn die Ordnung gleich zwei ist und wenn eine die Stärke der Spitzen enthaltende Bedingung erfüllt ist. Die mindestens eine durch die Steuereinheit 102 zu verifizierende Bedingung umfasst, dass eine Stärke 224 der ersten Spitze 212 geringer ist als die Stärke 224 der zweiten Spitze 214. Die Stärke der Spitzen wird mit vorab bestimmten Toleranzen betrachtet. Eine siebte Wellenform 310 stellt das Gegen-EMK-Signal für eine Ordnung gleich zwei dar. Ein viertes Fenster 324 zeigt das Vorhandensein zweier Spitzen. Die Polarität der ersten Spitze 212 ist negativ und die der zweiten Spitze 214 ist negativ. Die Polaritätsbedingung zeigt keinen Stillstand oder Schrittverlust. Die Stärke 224 der ersten Spitze 212 ist jedoch geringer als die Stärke 224 der zweiten Spitze 214. Eine Übereinstimmung mit dieser Bedingung wird als Stillstand oder Schrittverlust erfasst, und die Steuereinheit 102 speichert diese Erfassung im Speicherelement. Bei der die Stärken enthaltenden Bedingung handelt es sich somit um eine Alternative zu der auf Polarität beruhenden Bedingung. Ferner kann die Stärkebedingung vor der Polaritätsbedingung verifiziert werden. Eine achte Wellenform 312 zeigt entsprechend den Stillstand oder Schrittverlust in der positiven Phase für das Gegen-EMK-Signal mit zwei Spitzen. Die Polarität der ersten Spitze 212 ist positiv und die der zweiten Spitze 214 ist negativ, so dass hierdurch der Stillstand oder Schrittverlust nicht erfasst wird. Jedoch ist die Stärke 224 der ersten Spitze 212 geringer als die Stärke 224 der zweiten Spitze 214. Dieser Zustand wird durch die Steuereinheit 102 als Stillstand oder Schrittverlust erfasst, und folglich speichert die Steuereinheit 102 diese Daten im Speicherelement.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Steuereinheit 102 dafür ausgebildet, den Stillstand oder Schrittverlust zu erfassen, wenn die Abfolge (n) gleich drei ist. Wenn die Abfolge drei ist, umfasst die mindestens eine durch die Steuereinheit 102 zu verifizierende Bedingung, dass die Polarität der ersten Spitze 212, der zweiten Spitze 214 bzw. der dritten Spitze 216 ausgewählt ist aus einer Gruppe, die negativ, positiv bzw. negativ in der positiven Phase des Gegen-EMK-Signals und positiv, negativ bzw. positiv in der negativen Phase des Gegen-EMK-Signals umfasst. Eine Wellenform dieses Zustands ist ebenfalls nicht gezeigt, um die 3 übersichtlich zu halten. Bevor die mindestens eine die Abfolge drei betreffende Bedingung geprüft wird, prüft die Steuereinheit 102 die mindestens eine für die Abfolge eins und zwei anwendbare Bedingung für eine Spitze und zwei Spitzen. Falls eine Übereinstimmung mit der mindestens einen für die Abfolge eins und zwei anwendbaren Bedingung gegeben ist, erfasst die Steuereinheit 102 einen Stillstands- oder Schrittverlustzustand, ohne die mindestens eine für die Abfolge drei anwendbare Bedingung überhaupt zu prüfen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Steuereinheit 102 dafür ausgebildet, den Stillstand oder Schrittverlust zu erfassen, wenn die Ordnung gleich drei ist und wenn eine die Stärke der Spitzen enthaltende Bedingung erfüllt ist. Wenn die Ordnung (n) gleich drei ist, umfasst die mindestens eine durch die Steuereinheit 102 zu verifizierende Bedingung, dass die Stärke 224 der ersten Spitze 212 geringer ist als die Stärke 224 der zweiten Spitze 214 oder die Stärke 224 der dritten Spitze 216. Um diesen Zustand zu veranschaulichen, zeigt eine neunte Wellenform 314 das Gegen-EMK-Signal mit einem fünften Fenster 328. In dem fünften Fenster 328 sind drei Spitzen abgebildet. In der negativen Phase ist die Polarität der ersten Spitze 212 negativ, die zweite Spitze 214 positiv und die dritte Spitze 216 negativ. Dies zeigt keinen Stillstands- oder Schrittverlustzustand an. Beim Vergleichen der Stärken erfasst die Steuereinheit 102 jedoch, dass die Stärke 224 der ersten Spitze 212 geringer ist als die Stärke 224 der zweiten Spitze 214, jedoch nicht geringer als die Stärke der dritten Spitze 216. Die Steuereinheit 102 erfasst somit diesen Zustand als Stillstand oder Schrittverlust und speichert dies im Speicherelement. Eine zehnte Wellenform 316 zeigt entsprechend den Stillstand oder Schrittverlust im Gegen-EMK-Signal mit drei Spitzen für die positive Phase. Ein sechstes Fenster 330 zeigt, dass die Polarität der ersten Spitze 212 positiv ist, die zweite Spitze 214 negativ ist und die dritte Spitze 216 positiv ist, was keinen Stillstand oder Schrittverlust anzeigt. Jedoch ist die Stärke 224 der ersten Spitze 212 geringer als die Stärke 224 der zweiten Spitze 214, jedoch nicht geringer als die Stärke der dritten Spitze 216, was von der Steuereinheit 102 als Stillstand oder Schrittverlust erfasst und im Speicherelement aufgezeichnet wird.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Steuereinheit 102 dafür ausgebildet, in einem ersten Schritt die auf der Polarität beruhende Bedingung und danach die auf der Stärke beruhende Bedingung zu verifizieren, sobald die Abfolge größer als null ist. Alternativ ist die Steuereinheit 102 auch so konfigurierbar, dass sie zuerst die auf der Stärke beruhende Bedingung und danach die auf der Polarität beruhende Bedingung verifiziert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung extrahiert die Steuereinheit 102 das Gegen-EMK-Signal aus den mindestens zwei Spulen basierend darauf, welche Spule inaktiv ist bzw. nicht angesteuert wird. Beispiel: Im Falle eines auf zwei Spulen beruhenden Schrittmotors 110 ist die zweite Spule 108 inaktiv, wenn die erste Spule 106 aktiv ist/angesteuert wird, so dass die Steuereinheit 102 das Gegen-EMK-Signal von der zweiten Spule 108 erfasst. Wenn danach die zweite Spule 108 aktiv ist und die erste Spule 106 inaktiv ist, erfasst die Steuereinheit 102 das Gegen-EMK-Signal von der ersten Spule 106. Die Steuereinheit 102 wird somit mit mehr Datenabgriffen versorgt, um den Stillstand oder Schrittverlust in kürzerer Zeit zu erfassen als in dem Fall, in dem nur die erste Spule 106 verwendet wird, um das Gegen-EMK-Signal zu erfassen. Die Steuereinheit 102 verarbeitet das erfasste Gegen-EMK-Signal zusammen mit der Verifizierung der mindestens einen Bedingung, bevor sie das Gegen-EMK-Signal in der nächsten Phase erfasst.
In einer Ausführungsform wird die Stillstands- oder Schrittverlusterfassung auf eine Grenzanzahl inkrementiert/dekrementiert. Sobald die Anzahl an Stillstands- oder Schrittverlusterfassungen die Grenzanzahl überschreitet, wird der Stillstand oder Schrittverlust bestätigt. Die Grenzanzahl ist nach den Erfordernissen konfigurierbar. Sobald der Stillstand oder Schrittverlust erfasst wird, löst die Steuereinheit 102 einen Alarm für einen Nutzer oder Bediener durch mindestens ein Signal aus, das, ohne hierauf eingeschränkt zu sein, ein Audio-, Anzeige-, Licht-, Haptikmittel und dergleichen umfasst.
4 veranschaulicht ein Verfahren zum Erfassen von Stillstand oder Schrittverlust im Schrittmotor gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: einen Schritt 402, der Überwachen eines gegenelektromotorischen Kraft- (Gegen-EMK-) Signals aus dem Schrittmotor 110 umfasst. Das Gegen-EMK-Signal wird in einer im Fachgebiet bekannten Art und Weise erfasst oder gemessen oder extrahiert und ist nicht auf ein konkretes Verfahren eingeschränkt. Das Gegen-EMK-Signal ist in der positiven Phase und in der negativen Phase messbar. Das Verfahren ist durch einen Schritt 404 gekennzeichnet, der durch die Steuereinheit 102 erfolgendes Bestimmen des ersten Parameters des Gegen-EMK-Signals umfasst. Ein nächster Schritt 406 umfasst durch die Steuereinheit 102 erfolgendes Bestimmen mindestens eines dem ersten Parameter entsprechenden zweiten Parameters des Gegen-EMK-Signals. Ein Schritt 408 umfasst auf Grundlage des ersten Parameters erfolgendes Verifizieren mindestens einer Bedingung, die den mindestens einen zweiten Parameter enthält. Ein Schritt 410 umfasst durch die Steuereinheit 102 erfolgendes Erfassen von Stillstand oder Schrittverlust im Schrittmotor 110 auf Grundlage der Verifizierung.
Beim ersten Parameter handelt es sich um die Abfolge (n) von Spitzen im Gegen-EMK-Signal. Der mindestens eine zweite Parameter ist ausgewählt aus der Gruppe, umfassend die Polarität (P_n) jeder Spitze und die Stärke (M_n) jeder Spitze.
Die nach dem Bestimmen der Abfolge des Gegen-EMK-Signals zu verifizierenden Bedingungen entsprechen den in der Beschreibung der 3 erläuterten und behandelten. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird hierauf an dieser Stelle nicht erneut eingegangen. Vor Beginn der Betätigung des Schrittmotors 110 wird jedoch die aktuelle elektrische Phase aus der Treiberschaltung 104 gelesen, um eine Synchronisierung mit der Phase des Gegen-EMK-Signals vorzunehmen. Die Phase wird ferner nach Bedarf verwendet, um die Polarität und Stärke zu erfassen.
Die Steuereinheit 102 ist zudem dafür konfiguriert, einen Stillstandszustand und einen Schrittverlustzustand zu identifizieren. In einem Fall, in dem durch den Schrittmotor 110 ein Führungsschraubenmechanismus betätigt wird, wird der Stillstand identifiziert, wenn eine Endposition der Führungsschraube erreicht wird. Falls die Spitzen vor dem Erreichen der Endposition beobachtet werden, wird dieser Zustand als Schrittverlust identifiziert. Das Verfahren zum Unterscheiden zwischen dem Stillstand und dem Schrittverlust folgt den entsprechenden Schritten wie für die Steuereinheit 102 beschrieben.
Gemäß der vorliegenden Erfindung benötigt die bestehende Lösung eine Abstimmung, und der Grenzwert für das Gegen-EMK-Signal ist direkt proportional zur Drehzahl (UpM), die vorliegende Erfindung ist dagegen von der Drehzahl unabhängig und erfordert keine Abstimmung oder Simulation, um die Faktoren festzulegen. Ein Einsatzgebiet der Umsetzung der vorliegenden Erfindung ist, ohne hierauf eingeschränkt zu sein, ein halbaktives Dämpferregelungs- (SDC, Semi-active Damping Control) System für ein Fahrzeug, eine Drosselklappensteuerung, ein Armaturenbrett sowie viele lineare Positionierungssysteme (z.B. Head-up Displays). Die vorliegende Erfindung verwendet eine Mustererfassung durch Identifizieren der charakteristischen Merkmale der Spitzen des Gegen-EMK-Signals, bei welchen es sich um Abfolge (n), Stärke und Polarität handelt. Diese charakteristischen Merkmale sind unabhängig von der Drehzahl, dem Spiel und der Last und erfordern keine komplexen Berechnungen und sind selbst bei geringeren Drehzahlen sehr robust.
Es ist zu beachten, dass in der vorstehenden Beschreibung erläuterte Ausführungsformen lediglich veranschaulichend sind und den Umfang dieser Erfindung nicht einschränken. Es sind viele solcher Ausführungsformen und andere Modifikationen und Änderungen der in der Beschreibung erläuterten Ausführungsform denkbar. Der Umfang der Erfindung wird nur durch den Umfang der Ansprüche begrenzt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20110181229 [0005]

Claims

Steuereinheit (102), um Stillstand oder Schrittverlust in einem Schrittmotor (110) zu erfassen, wobei die Steuereinheit (102) dafür ausgebildet ist, mindestens zwei Feldspulen (106, 108) des Schrittmotors (110) anzusteuern und ein gegenelektromotorisches Kraft- (Gegen-EMK-) Signal zu lesen, wobei das Gegen-EMK-Signal in einer positiven Phase und einer negativen Phase messbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (102) ferner ausgebildet ist, um aus dem Gegen-EMK-Signal einen ersten Parameter zu bestimmen, aus dem Gegen-EMK-Signal mindestens einen dem ersten Parameter entsprechenden zweiten Parameter zu bestimmen, auf Grundlage des ersten Parameters mindestens eine Bedingung zu verifizieren, die den mindestens einen zweiten Parameter enthält, und auf Grundlage der Verifizierung Stillstand oder Schrittverlust in dem Schrittmotor (110) zu erfassen.
Steuereinheit (102) nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem ersten Parameter um eine Abfolge (n) von Spitzen in dem Gegen-EMK-Signal handelt und der mindestens eine zweite Parameter ausgewählt ist aus einer Gruppe, die eine Polarität (P_n) jeder Spitze und eine Stärke (M_n) jeder Spitze umfasst.
Steuereinheit (102) nach Anspruch 2, wobei, wenn die Abfolge (n) gleich eins ist, die mindestens eine zu verifizierende Bedingung umfasst, dass die Polarität der Spitze eine aus einer Liste ist, die Folgendes umfasst: a) negativ in einer positiven Phase des Gegen-EMK-Signals, und b) positiv in einer negativen Phase des Gegen-EMK-Signals.
Steuereinheit (102) nach Anspruch 2, wobei, wenn die Ordnung (n) gleich zwei ist, die mindestens eine zu verifizierende Bedingung umfasst, dass die Polarität einer ersten Spitze (212) bzw. einer zweiten Spitze (214) ausgewählt ist aus einer Liste, die Folgendes umfasst: a) negativ bzw. positiv in einer positiven Phase des Gegen-EMK-Signals, und b) positiv bzw. negativ in einer negativen Phase des Gegen-EMK-Signals.
Steuereinheit (102) nach Anspruch 2 oder Anspruch 4, wobei, wenn die Abfolge (n) gleich zwei ist, die mindestens eine zu verifizierende Bedingung umfasst, dass die Stärke der ersten Spitze (212) geringer ist als die Stärke der zweiten Spitze (214).
Steuereinheit (102) nach Anspruch 2, wobei, wenn die Ordnung (n) gleich drei ist, die mindestens eine zu verifizierende Bedingung umfasst, dass die Polarität einer ersten Spitze (212), einer zweiten Spitze (214) bzw. einer dritten Spitze (216) ausgewählt ist aus einer Liste, die Folgendes umfasst: a) negativ, positiv bzw. negativ in einer positiven Phase des Gegen-EMK-Signals, und b) positiv, negativ bzw. positiv in einer negativen Phase des Gegen-EMK-Signals.
Steuereinheit (102) nach Anspruch 2 oder Anspruch 6, wobei, wenn die Abfolge (n) gleich drei ist, die mindestens eine zu verifizierende Bedingung umfasst, dass die Stärke der ersten Spitze (212) geringer ist als die Stärke der zweiten Spitze (214) oder die der dritten Spitze (216).
Steuereinheit (102) nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, wobei die Steuereinheit (102) dafür ausgebildet ist, mindestens eine entsprechende, für eine Abfolge (n) gleich zwei anwendbare Bedingung zu verifizieren, bevor die mindestens eine für eine Abfolge (n) gleich drei anwendbare Bedingung verifiziert wird.
Verfahren zum Erfassen von Stillstand oder Schrittverlust in einem Schrittmotor (110), wobei das Verfahren die Schritte des Überwachens eines gegenelektromotorischen Kraft (Gegen-EMK-) Signals aus dem Schrittmotor (110) umfasst, wobei das Gegen-EMK-Signal in einer positiven Phase und einer negativen Phase messbar ist, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch durch eine Steuereinheit (102) erfolgendes Bestimmen eines ersten Parameters des Gegen-EMK-Signals; durch die Steuereinheit (102) erfolgendes Bestimmen mindestens eines dem ersten Parameter entsprechenden zweiten Parameters des Gegen-EMK-Signals; durch die Steuereinheit (102) erfolgendes Verifizieren mindestens einer den mindestens einen zweiten Parameter enthaltenden Bedingung auf Grundlage des ersten Parameters und durch die Steuereinheit (102) erfolgendes Erfassen von Stillstand oder Schrittverlust in dem Schrittmotor (110) auf Grundlage der Verifizierung.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei es sich bei dem ersten Parameter um eine Abfolge (n) von Spitzen in dem Gegen-EMK-Signal handelt und der mindestens eine zweite Parameter ausgewählt ist aus einer Gruppe, die eine Polarität (P_n) jeder Spitze und eine Stärke (M_n) jeder Spitze umfasst.