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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung der Drehung eines
einen Roter mit einer Motorspule aufweisenden und wenigstens einen
Zeiger einer Uhr antreibenden Schrittmotors.
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Üblicherweise
wird für
den Antrieb der Zeiger in einer analogen Uhr ein zweipoliger Schrittmotor (Lavet-Motor)
verwendet. Angesteuert wird dieser Motor durch Antriebsspannungsimpulse,
die bei jedem Schritt ihre Polarität wechseln.
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Um
eine sichere Funktion des Motors im gesamten Betriebsspannungsbereich,
bei Belastung mit Zeigern unterschiedlichen Trägheitsmoments und bei unterschiedlicher
Leichtgängigkeit
des Räderwerks
zu garantieren, kann die Ansteuerung entweder immer die Energie
liefern, die im schlechtesten Fall für eine sichere Drehung ausreicht,
oder es kann eine adaptive Regelung zum Einsatz kommen, die die
im Antriebsspannungsimpuls enthaltene Energie den äußeren Gegebenheiten
anpasst.
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Insbesondere
bei solarbetriebenen Armbanduhren ist eine adaptive Regelung von
großem Vorteil,
zum einen um den Stromverbrauch der Armbanduhr so weit als möglich zu
senken, und zum anderen weil die Spannung des Akkumulators sehr
viel stärker
schwanken kann als bei einer Uhr mit Batterie.
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Eine
solche adaptive Regelung beruht z. B. auf dem Prinzip der Dreherkennung,
d. h. die Elektronik besitzt genügend
Intelli genz um einen ausgeführten
Motorschritt zu erkennen und liefert immer nur so viel Energie wie
tatsächlich
nötig ist.
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Üblicherweise
stehen eine bestimmte Anzahl möglicher
Antriebsspannungsimpulse mit unterschiedlichem Energiegehalt zur
Verfügung.
Die Auswahl des aktuellen Impulses wird über die Dreherkennung in der
Weise geregelt, dass dem Antriebsspannungsimpuls eine Detektionsphase
folgt. Hat der Motor den Schritt nicht ausgeführt, so wird ein stärkerer Impuls
nachgeschoben, um den Zeitverlust auszugleichen, und die Ansteuerstufe
um eins erhöht.
In regelmäßigen Zeitabständen wird
geprüft,
ob die Ansteuerstufe mit dem nächstniedrigeren
Energiegehalt wieder für
den Antrieb des Motors ausreichend ist.
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Aus
der
DE 694 13 668
T2 ist ein Verfahren zur Ansteuerung eines eine Spule aufweisenden Schrittmotors
für eine
Analoguhr bekannt, bei dem ein Antriebsspannungsimpuls sowie ein
erster Detektionsspannungsimpuls an die Motorspule ausgeben werden
und bei dem anhand einer ersten Impulsantwort auf den Detektionsspannungsimpuls
die Rotorstellung bestimmt wird. Außerdem wird ein zweiter Detektionsspannungsimpuls
mit zu dem ersten Detektionsspannungsimpuls gegensätzlicher
Polarität
an die Motorspule ausgegeben und eine zweite Impulsantwort auf den
zweiten Detektionsspannungsimpuls zur Bestimmung der Rotorstellung
verwandt. Daneben wird ein dem ersten Detektionsspannungsimpuls
vorausgehender Stabilisierungsspannungsimpuls mit zu dem Antriebsspannungsimpuls
gegensätzlicher
Polarität
an die Motorspule ausgegeben.
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In
der
EP 0 859 295 B1 wird
ein Verfahren zum Steuern eines Schrittmotors beschrieben, das einen
mehrpoligen Motor in Kooperation mit einem Stator mit einer Antriebsspule
antreiben kann. Auch bei diesem Verfahren kann die Drehrichtung
aus der Induktionsspannung ermittelt werden.
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Es
wird unterschieden zwischen dynamischer und statischer Dreherkennung.
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Die
dynamische Dreherkennung wertet die durch die Rotorbewegung induzierte
Spannung aus, insbesondere das Ausschwingen des Rotors in seiner
neuen Stellung. D. h. die Detektionsphase findet während oder
direkt im Anschluss an den Antriebsspannungsimpuls statt. Nachteil
dieses Verfahrens ist seine Spannungsabhängigkeit. Das Signal ist von der
Betriebsspannung abhängig
und kann u. U. nicht im gesamten Betriebsspannungsbereich nach demselben
Kriterium ausgewertet werden.
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Die
statische Dreherkennung beruht auf der Bestimmung der Polarität des Rotors.
Die Induktivität der
Motorspule ist abhängig
von der Position des Rotors, d. h. durch die Messung der Induktivität kann bestimmt
werden, ob sich der Rotor in seiner Sollposition befindet. Voraussetzung
für dieses
Verfahren ist, dass der Rotor nicht mehr schwingt, d. h. die Detektion
findet erst deutlich nach der Drehung statt. Nachteil dieses Verfah rens
ist, dass der Rotor sich nicht in einer Mittelstellung befinden
darf, um ein eindeutiges Ergebnis zu erzielen.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, ein Verfahren zur Erkennung
der Drehung eines wenigstens einen Zeiger einer Uhr antreibenden Schrittmotors
vorzustellen, mit dem die Stellung des Rotors des Motors noch verlässlicher
ermittelt werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Erkennung der Drehung eines
einen Rotor mit einer Motorspule aufweisenden und wenigstens einen
Zeiger einer Uhr antreibenden Schrittmotors mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausführungen
und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
Erfindung geht ganz allgemein von einem Verfahren zur Erkennung
der Drehung eines einen Rotor mit einer Motorspule aufweisenden
und wenigstens einen Zeiger einer Uhr antreibenden Schrittmotors
aus, bei dem ein Antriebsspannungsimpuls sowie ein erster Detektionsspannungsimpuls an
die Motorspule ausgegeben werden und bei dem anhand einer ersten
Impulsantwort auf diesen ersten Detektionsspannungsimpuls die Stellung
des Rotors bestimmt wird.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass ein zweiter Detektionsspannungsimpuls mit zu dem ersten Detektionsspannungsimpuls
gegensätzlicher
Polarität
an die Motorspule ausgegeben wird und eine zweite Impulsantwort
auf den zweiten Detektionsspannungsimpuls zusätzlich zur Bestimmung der Stellung
des Rotors verwendet wird. Durch diese Maßnahme wird die Verlässlichkeit
gegenüber
einer Methode, die mit nur einem Detektionsspan nungsimpuls oder
einer Methode mit mehreren Detektionsspannungsimpulsen mit nur einer
Polarität
arbeitet, deutlich erhöht.
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Alternativ
oder zusätzlich
zu dieser vorstehend beschriebenen Maßnahme sieht die Erfindung vor,
dass ein dem ersten Detektionsspannungsimpuls vorausgehender Stabilisierungsspannungsimpuls
mit zu dem Antriebsspannungsimpuls gegensätzlicher Polarität an die
Motorspule ausgegeben wird. Der eigentlichen Detektionsphase geht
somit eine Stabilisierungsphase voraus, in welcher der Rotor sicher
in eine korrekt detektierbare Position verbracht wird. Selbst bei
einem statischen Dreherkennungsverfahren, bei welchen nur die Impulsantwort eines
einzigen Detektionsspannungsimpulses ausgewertet wird oder bei denen
die Impulsantworten von mehreren gleichpoligen Detektionsspannungsimpulsen
ausgewertet werden, lässt
sich eine deutlich geringere Fehlerquote feststellen, wenn ein vorstehend
beschriebener Stabilisierungsspannungsimpuls zur Anwendung kommt.
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In
einer bevorzugten Variante sieht die Erfindung vor, dass die Stellung
des Rotors aus einem Vergleich der Impulsantworten bestimmt wird.
Abweichungen der Impulsantworten hinsichtlich zeitlichem Verlauf
und/oder Amplitude deuten auf eine Fehlstellung des Rotors hin.
Jedoch können
auch fertigungstechnisch bedingte Asymmetrien in einfacher Weise herausgerechnet
werden.
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Eine
besonders einfache Variante der Erfindung sieht vor, dass die Amplituden
der Impulsantworten verglichen werden. Es ist also nicht erforderlich,
dass der gesamte zeitliche Verlauf der jeweiligen Impulsantworten
miteinander verglichen wird. Schon aus der Amplitude der jeweiligen
Impulsantworten lässt sich
in der Regel bereits die Information über die Stellung des Rotors
im Motorgehäuse
bzw. in Bezug auf den Stator des Schrittmotors gewinnen.
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In
besonderer Ausgestaltung dieser Variante ist erfindungsgemäß vorgesehen,
dass eine Abweichung der Ist-Stellung des Rotors von der Soll-Stellung
dann festgestellt wird, wenn die Differenz der Amplituden der Impulsantworten
einen vorgebbaren Schwellwert überschreitet.
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Es
hat sich als vorteilhaft gezeigt, die Detektionsspannungsimpulse
erst mehrere Antriebsspannungsimpulsdauern nach dem Antriebsspannungsimpuls
auszugeben, da der Rotor dann nicht mehr schwingt.
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Erfindungsgemäß ist weiterhin
vorgesehen, dass die Detektionsspannungsimpulsdauern etwa 1/10 der
Antriebsspannungsimpulsdauern betragen. Typische Werte für die Antriebsspannungsimpulsdauern
sind 3–8
ms, und für
die Detektionsspannungsimpulsdauern 0,5 ms. Der Rotor des Schrittmotors
wird dann durch einen Detektionsspannungsimpuls nicht mehr wesentlich
aus seiner stationären Lage
bewegt, sodass das Messsystem einen eindeutigen Messwert liefert.
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Erfindungsgemäß ist weiterhin
vorgesehen, dass der zweite Detektionsspannungsimpuls mehrere Detektionsspannungsimpulsdauern
nach dem ersten Detektionsspannungsimpuls ausgegeben wird. Störschwingungen
des Rotors aufgrund des ersten Detektionsspannungsimpulses sind
weitgehend abgeklungen, sodass auch bei der Auswertung der Impulsantwort
auf den zweiten Detektionsspannungsimpuls keine parasitären Schwingungen
aus der ersten Detektionsphase berücksichtigt werden müssen.
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Obwohl
grundsätzlich
die Genauigkeit des Dreherkennungsverfahrens nicht davon abhängt, ob der
Stabilisierungsspannungsimpuls dem Antriebsspannungsimpuls voreilt
oder nachfolgt, hat es sich als günstig herausgestellt, den Stabilisierungsspannungsimpuls
dem Antriebsspannungsimpuls nachfolgen zu lassen. Experimentelle
Untersuchungen haben gezeigt, dass optimale Ergebnisse dann erzielt werden,
wenn der Stabilisierungsspannungsimpuls wenige Antriebsspannungsimpulsdauern
nach dem Antriebsspannungsimpuls ausgegeben wird.
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Besonders
günstig
ist es, wenn die Stabilisierungsspannungsimpulsdauer etwa 10%–50% der Antriebsspannungsimpulsdauer
beträgt.
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Die
Erfindung wird nunmehr anhand einer Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße Spannungsimpulsfolge,
wie sie bspw. bei dem Schrittmotor Werk Ronda Cal 775 verwendet
werden kann.
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Gegenstand
der Erfindung ist eine neuartige Variante der statischen Dreherkennung.
Zur Detektion werden zwei kurze Detektionsspannungsimpulse 3, 4 gegensätzlicher
Polarität
an die Motorspule ausgegeben und die Impulsantworten verglichen.
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In
dem vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß der 1 beginnt
die Detektionsphase ca. 180 ms nach dem Antriebsspannungsimpuls 1.
Die Länge
T3, T4 der Detektionsspannungsimpulse 3, 4 beträgt ca. 0,5
ms, und die Pause Δt3 zwischen den Detektionsspannungsimpulsen 3, 4 ca.
8 ms. In der Detektionsphase wird dem Schrittmotor Werk Ronda Cal
775 ein Widerstand von 12 kΩ vorgeschaltet,
um die Zeitkonstanten des Systems für die Messung günstig zu
beeinflussen. Die Amplitudendifferenz der beiden Antwortimpulse
muss einen vorgebbaren Schwellenwert überschreiten, damit ein Fehler
detektiert wird. Durch diese differentielle Methode wird die Verlässlichkeit
gegenüber
einer Methode, die mit nur einem Impuls oder nur einer Polarität arbeitet,
deutlich erhöht.
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Durch
den energieoptimierten Antrieb ist nicht in jedem Fall sichergestellt,
dass der Rotor zum Zeitpunkt der Detektion in einer der beiden stabilen Positionen
ist. Wenn er in einer Mittelstellung stehen geblieben ist, ist die
Detektion gefährdet.
Wenn kein Fehler festgestellt wird, obwohl der Schritt nicht vollständig ausgeführt wurde,
fällt der
Rotor beim nächsten
Antriebsspannungsimpuls zurück
und die Uhr verliert 2 Sekunden.
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Um
diesen Fall zu vermeiden, geht der eigentlichen Detektionsphase
ein zusätzlicher
Stabilisierungsspannungsimpuls 2 voraus, der den Rotor sicher
in eine korrekt detektierbare Position bringt. Dieser Stabilisierungsspannungsimpuls 2 liegt
zeitlich ca. 160 ms vor dem ersten Detektionsspannungsimpuls 3,
d. h. er folgt dem Antriebsspannungsimpuls 1 um ca. 15
ms nach (Δt1). Seine Länge T2 ist abhängig von
der Länge
T1 des Antriebsspannungsimpulses 1 und
seine Polarität
ist gegensätzlich
zu der des Antriebsspannungsimpulses 1. Wenn der Rotor
also in einer unerwünschten
Mittelposition stehen geblieben ist, wird er durch den Stabilisierungsspannungsimpuls 2 wieder
in seine Ausgangslage gebracht.
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Da
der Rotor, wenn er in einer solchen instabilen Position stehen bleibt,
aus physikalischen Gründen
immer vor oder direkt an dem Punkt maximaler potentieller Energie
stehen bleiben muss, aber nie danach, ist es aus energetischer Sicht sinnvoll, diese
Polarität
für den
Stabilisierungsspannungsimpuls 2 gegensätzlich zu der des Antriebsspannungsimpulses 1 zu
wählen.
Bei Wahl derselben Polarität wie
die des Antriebsspannungsimpulses 1 müsste mehr Energie aufgebracht
werden, um den Rotor sicher in eine stabile Lage zu bringen.
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Wenn
der Rotor hingegen schon durch den Antriebsspannungsimpuls 1 sauber
in seiner neuen Position angelangt ist, hat der Stabilisierungsspannungsimpuls 2 die
Funktion, den nächsten
Schritt vorzubereiten. Es tritt eine Vormagnetisierung des Motors
ein oder der Rotor wird schon leicht in die Richtung des nächsten Schritts
gezogen und nimmt dadurch das Spiel aus den ineinandergreifenden Zahnrädern. In
der Folge braucht der nächste
Antriebsspannungsimpuls 1 wiederum weniger Energie aufzubringen
als ohne den vorausgehenden Stabilisierungsspannungsimpuls 2 nötig wäre. D. h.
die zur Stabilisierung aufgebrachte Energie ist nicht verloren,
sondern trägt
in vollem Umfang zur nächsten
Bewegung bei.
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Im
vorliegenden Fall ist der Antriebsspannungsimpuls 1 nicht
zerhackt. Die Länge
T2 des Stabilisierungsspannungsimpulses 2 beträgt ungefähr ein Drittel
der Länge
T1 des Antriebsspannungsimpulses 1.
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- 1
- Antriebsspannungsimpuls
- 2
- Stabilisierungsspannungsimpuls
- 3
- erster
Detektionsspannungsimpuls
- 4
- zweiter
Detektionsspannungsimpuls
- T1
- Antriebsspannungsimpulsdauer
- T2
- Stabilisierungsspannungsimpulsdauer
- T3
- Impulsdauer
des ersten Detektionsspannungsimpulses
- T4
- Impulsdauer
des zweiten Detektionsspannungsimpulses
- Δt1
- Zeitdifferenz
zwischen
-
- Antriebsspannungsimpuls 1 und
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- Stabilisierungsspannungsimpuls 2
- Δt2
- Zeitdifferenz
zwischen
-
- Stabilisierungsspannungsimpuls 2 und
-
- erstem
Detektionsspannungsimpuls 3
- Δt3
- Zeitdifferenz
zwischen erstem
-
- Detektionsspannungsimpuls 3 und
zweitem
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- Detektionsspannungsimpuls 4