DE10357969B4

DE10357969B4 - Vorrichtung zum Ansteuern eines Schrittmotors

Info

Publication number: DE10357969B4
Application number: DE10357969A
Authority: DE
Inventors: Stephen L. Canton Betts; Ronald P. Farmington Hills Russ; Charles F. South Lyon Weber; Douglas White Lake Hughson
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Visteon Global Technologies Inc
Priority date: 2002-12-05
Filing date: 2003-12-04
Publication date: 2007-03-29
Anticipated expiration: 2023-12-05
Also published as: JP2004187497A; US20040108829A1; US6853162B2; DE10357969A1

Abstract

Vorrichtung zum Ansteuern eines Schrittmotors (10), der im Wesentlichen folgende Komponenten enthält:
– einen Rotor (14) mit einer Welle (16),
– mindestens zwei Statorspulen (12a, 12b),
– ein Getriebe (17),
– einen Zeiger (18), der über das Getriebe (17) mit der Welle (16) verbunden ist,
und
– einen Anschlag (19) für den Zeiger (18),
mit einer Motorsteuerschaltung (20), die aufweist:
– einen Mikroprozessor (65),
– einen Speicher (60) mit einer Tabelle (50) und zugehörigen programmtechnischen Mitteln (70), wobei der Speicher (60) mit dem Mikroprozessor (65) verbunden ist,
– Pulsweitenmodulations-Treiberschaltungen (25a, 25b), die eingangsseitig mit dem Mikroprozessor (65) und ausgangsseitig mit den Statorspulen (12a, 12b) in Verbindung stehen,
wobei
die Tabelle (50) im Speicher (60) Soll-Positionen des Anschlags (19) und des Zeigers (18) enthält sowie als Spannungstreibersignale ausgebildete Antriebsspannungspegel (30, 40) aufweist, die entsprechend von ebenso in der Tabelle...

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung eines Schrittmotors als eine Relativpositioniereinrichtung. Die Bezeichnung Schrittmotor kommt daher, dass sich der Motor in diskreten Schritten bewegt. Aufgrund dieses Merkmals sind Schrittmotoren für viele unterschiedliche Arten von Positionierungsanwendungen ideal geeignet. Im Stand der Technik verwenden als Relativpositioniereinrichtungen eingesetzte Schrittmotoren eine Gegen-EMK-Rückkopplung in einem elektronischen Regelsystem. Dieses Verfahren erfordert jedoch die Verwendung zusätzlicher Hardware oder Spezialschaltkreise, die beide inakzeptabel teuer sein können. Im gegenwärtigen Stand der Technik existieren drei grundlegende Ausführungsarten von Schrittmotoren, und zwar Permanentmagnet, variable Reluktanz und Hybrid.

Aus der US 2001/024 106 A1 ist eine Einrichtung zum Steuern eines Schrittmotors für ein Kraftfahrzeug zum Bewegen eines nadelartigen Zeigers mit zwei Paar verschiedenen Pulsweitenmodulations(PWM)-Ausgängen bekannt. Diese Einrichtung besitzt einen Mikroprozessor mit einem normalen PWM-Ausgang sowie zwei Schaltkreise, wobei jeder Schaltkreis mit zwei Ausgängen versehen ist und durch einen Eingang mit dem normalen PWM-Ausgang des Mikroprozessors verbunden ist. Dabei korrespondiert jeweils einer der zwei Ausgänge der beiden Schaltkreise mit dem PWM-Ausgang des Mikroprozessors. Des Weiteren umfasst die Einrichtung Mittel zum Invertieren der zwei Ausgänge auf jeden Schaltkreis.

Der dem Erfindungsgegenstand nächstkommende Stand der Technik ist in der Druckschrift DE 196 10 059 A1 offenbart. Dabei werden ein Anzeigeinstrument und ein Verfahren zum Betrieb dieses Anzeigeinstruments beschrieben, welches eine Anzeigevorrichtung eines Messgerätes in Form eines Zeigers enthält. Die Anzeigevorrichtung wird mittels eines Schrittmotors angetrieben. In dem Schrittmotor wird durch Feldspulen ein magnetisches Drehfeld ausgebildet, welches ein zusammengesetztes Feld der Magnetfelder der mit einem sinusartigen Treiberstrom und einem cosinusförmigen Treiberstrom versorgten Spulen ist. Die Anzeigevorrichtung wird durch das magnetische Drehfeld auf einen sich in einer Nullstellung des Messgerätes befindlichen Anschlag zurückgeführt. Ein Teil des magnetischen Drehfeldes, das während des Nullrückführungsvorgangs durch sinus- und cosinusförmigen Signalverläufe in einem Phasenwinkelbereich zwischen –340° und – (180° – Δs) gebildet wird, wird durch eine vorhandene Unterbrechungseinrichtung unterbrochen, nachdem die Anzeigevorrichtung auf dem Anschlag ruht, so dass ein solch hoher Teil des magnetischen Drehfeldes die Anzeigevorrichtung nicht von dem Anschlag entfernen kann.

Aufgabe der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zum Ansteuern eines Schrittmotors bereitzustellen, die derart ausgebildet ist, dass eine Rückkehr des Schrittmotors in die vorgegebene Ruhestellung ohne Rauschen oder ohne Prellen erfolgen kann.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung umfasst einen Schrittmotor, der aus einer Vielzahl von Windungen besteht, und eine Steuerung, die eine Vielzahl von an die Windungen betriebsfähig angeschlossenen Ausgängen umfasst. Die Steuerung umfasst einen Prozessor, an den Prozessor betriebsfähig angeschlossene Pulsweitenmodulationsansteuerungen und einen Speicher, der mit dem Prozessor betriebsfähig verbundene Software umfasst.

Der Speicher umfasst eine im Speicher gespeicherte Tabelle, wobei die Tabelle Treibersignale umfasst, die entsprechend den ebenso in der Tabelle gespeicherten Zuständen um 90° zueinander phasenverschoben sind.

Der weitere Anwendungsbereich der Erfindung geht aus der folgenden ausführlichen Beschreibung, dem beigefügten Patentanspruch und Zeichnungen hervor.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung ist am besten anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung, des beigefügten Patentanspruchs und der zugehörigen Zeichnungen zu verstehen, wobei:
1 ein die Erfindung darstellendes Schaltungsschema ist,
2 einen internen Motoranschlag darstellt,
3 die Auswirkungen des schrittweisen Ansteuerns des Motorzählwerks im Uhrzeigersinn darstellt,
4 das Durchlaufen des Motorrotors durch Zustände darstellt, während sich der Motor am Anschlag befindet,
5 die Bewegung des Zeigers und das Prellen des Zeigers darstellt,
6 ein zum Ansteuern eines Schrittmotors verwendetes 24-Mikroschrittpulsweitenmoduliertes Spannungssignal darstellt,
7 die zur Ermittlung der einzelnen Schritte der angelegten Spannungen verwendeten möglichen Motorzustände für 24 Zustände darstellt,
8 ein Flussdiagramm ist, das darstellt, wie die Ansteuerungsspannungen für jeden Zustand berechnet werden,
9 ein Flussdiagramm ist, das ein Verfahren zur Verringerung von Prellen und Rauschen bei Rückkehr in die Ruhestellung darstellt,
10 ein funktionelles Blockschaubild des „einfachen Schalters" LM2576 ist.
Ausführliche Beschreibung der Vorzugsausgestaltung
Als Relativpositioniereinrichtung verwendete Schrittmotoren erfordern zur Absicherung der genauen Positionierung eine Rückstellung oder Initialisierung, wenn keine Regelkreisrückkopplung erfolgt. Die Initialisierung eines Schrittmotors kann auf einem von zwei Wegen erfolgen. Der erste Weg betrifft das Zurücksteuern des Motors um eine Anzahl von Schritten, die den erwarteten Abstand übersteigt, den der Motor von seinem mechanischen Bezugspunkt hat. Ein Schrittmotor kann zum Beispiel an ein Zahnrad gekoppelt sein, das sich in dieselbe Richtung wie der Schrittmotor dreht. An dem Zahnrad ist ein Zeiger befestigt. Der Zeiger kann die Form eines Stabs haben. Ein ortsfester Anschlagstift kann in der Nähe des Zahnrads derart angeordnet sein, dass er mit dem Zeiger in Kontakt kommt, wenn sich der Zeiger um einen bestimmten Betrag gedreht hat, und den Zeiger am Weiterdrehen hindert. Damit werden das Zahnrad und der Schrittmotor ebenfalls am Weiterdrehen gehindert. Der Anschlagstift wird zur Begrenzung der Auslenkung des Motors sowohl in der Null- als auch in der Endposition verwendet.
Bei einem Ereignis, bei dem Rückkehr in die Ruhestellung oder Nullung auftreten könnte, wie z. B. Zündschlüssel-Aus oder Absperren eines Fahrzeugs, wird die Spannungsunterbrechung durch das Zündschloss erfasst. Als Nächstes sendet die Motorsteuerungsschaltung einen Rückstellungsbefehl an die Motorspulen. Dieser Befehl kann die Form einer konstanten Anzahl von Impulsen haben, wobei deren Anzahl für eine Rückstellung des Zeigers auf Null unabhängig von der momentanen Position des Zeigers ausreichend groß ist. Der Zeiger dreht sich am Anschlagstift nicht vorbei.
Das zweite Verfahren besteht im Hinzufügen einer elektronischen Rückkopplung zum System zwecks Bereitstellung von Positionsinformationen über den Motor.
Das erste Verfahren der Positionierung wird gewöhnlich bevorzugt, weil das zweite Verfahren teuer ist und mehr Mikroprozessorbandbreite als das erste Verfahren erfordert. Das Fahren des Motors gegen einen starren Anschlag kann jedoch zwei unerwünschte Effekte hervorrufen: Rauschen und/oder Prellen. Das Rauschen wird dadurch verursacht, dass der Schrittmotorrotor, nachdem der Zeiger mit dem Anschlag in Kontakt gekommen ist, weiter angesteuert wird und der Zeiger mit dem mechanischen Anschlag fortlaufend in Kontakt gelangt und Rauschen erzeugt, bis sämtliche Rückstellungsimpulse geliefert worden sind.
Das „Springen" oder „Prellen" wird durch das Abprallen des Zeigers vom Anschlag verursacht, weil sich der Rotor wieder mit dem Magnetfeld in den Motorspulen synchronisiert. Die Pegel sowohl des Rauschens als auch des Prellens können sich als inakzeptabel erweisen, was dazu führen kann, dass der Schrittmotor nicht als Anzeigeeinrichtung eingesetzt wird, falls nicht ein bedeutender Kostenaufwand zur Verringerung von Rauschen und Prellen betrieben wird.
Durch Verringerung angelegter Spannungen bei Ausführung der Rückkehr in die Ruhestellung (auch Nullung oder Rückstellung genannt) und durch Senden von Schrittimpulsen bei einer Frequenz (Geschwindigkeit) unterhalb der Start-/Stopp-Frequenz des Motors für die resultierende Leistung ist es möglich, sowohl das Rauschen als auch das Prellen, die beide mit dieser Operation typischerweise zusammenhängen, signifikant zu reduzieren oder zu eliminieren.
Im Gegensatz zu einem Luftdruckmesser, bei dem durch Anlegen spezifischer diskreter Spannungen an die Spulen die absolute Position des Geräts gesteuert wird, erfolgt die Positionierung eines Schrittmotors durch Senden einer Anzahl von Impulsen, die einer relativen Bewegung oder Auslenkung entspricht. Das genaue Positionieren eines Schrittmotors erfordert die Implementierung einer Strategie zur Rückkehr in die Ruhestellung, bei der ein mechanischer Bezugspunkt am Ende der Motordrehung verwendet wird.
Mechanische Anschlagwahl
Mithilfe einer mechanischen Anschlagwahl wird die Rückkehr in die Ruhestellung oder Nullung des Schrittmotors durch Ansteuern des Motors in rückkehrende Richtung ausgeführt, bis die Bewegung des Motors durch einen mechanischen Anschlag oder einen mechanischen Eingriff blockiert wird. Es existieren drei Arten von mechanischen Eingriffen, die bei Schrittmotoren verwendet werden.

1) Extern/Skala: ein auf dem Zifferblatt in Richtung auf die Spitze des Zeigers angeordneter Stift.
2) Extern/Nabe: ein unter der Nabe des Zeigers angeordneter Stift und eine Aussparung in der Skala/im Zifferblatt.
3) Intern/Motor: auf dem Abtriebszahnrad des Schrittmotors angeordneter Stift und eine Nase im Motorgehäuse.

Die Erfindung kann entweder 1) einen externen Anschlag (siehe 1) oder 3) einen internen Motoranschlag (siehe 2) verwenden.
Jede Form eines Anschlags bietet eigene Merkmale und erfordert unterschiedliche Prozesse.
Funktionsbeschreibung des Merkmals Rückkehr in die Ruhestellung
Es existieren drei Verfahren zur Rückkehr in die Ruhestellung oder Nullung, die bei Schrittmotoren verwendet werden.
Diese Verfahren umfassen:

1) Steuerkette: Bei diesem Verfahren fällt der Antiebsmotor mit einer konstanten Anzahl von Schritten bei einem kontrollierten Geschwindigkeitsprofil zum mechanischen Anschlag hin ab. Er stoppt an einer bestimmten Schrittposition. Diese wird Ruhestellungsversatzzustand genannt.
2) Motoreigene Gegen-EMK: Bei diesem Verfahren fällt der Antriebsmotor mit Vollschritten zum mechanischen Anschlag hin ab. Er erfasst die in der nicht unter Strom gesetzten Spule erzeugte Gegen-EMK und stoppt, wenn die Gegen-EMK einen Schwellenspannungspegel von typischerweise einigen Millivolt erreicht. Anschließend wird der Schritt/die Position des Motors ermittelt, wenn der Motorzeiger diesen Anschlag erreicht hat. Der Schritt/die Position dient beim Ansteuern des Motors in positive Richtung als Nullbezugspunkt. Mithilfe dieses Verfahrens kann die Gegen-EMK außerdem herangezogen werden, wenn der Magnet zum Neuausrichten mit dem Antriebsfeld als ein Nullbezugspunkt zurückkippt.
3) Motorferne Gegen-EMK-Kalibrierung, Steuerkette: Dieses Verfahren verwendet eine Testschaltung zur Erfassung der Gegen-EMK, die erzeugt wird, wenn der Motor gegen einen mechanischen Anschlag bewegt wird. Diese Anschlagposition (d. h. die Anzahl der ausgeführten Schritte bis zum Erreichen dieser Anschlagposition) wird im Speicher des Schrittmotors gespeichert. Der Schrittmotor bewegt sich mit einer bestimmten Anzahl von Schritten bei einer kontrollierten Geschwindigkeit zum mechanischen Anschlag, bis er in einer vorprogrammierten Schrittposition stoppt.

Jedes Verfahren zur Rückkehr in die Ruhestellung besitzt seine eigenen Merkmale.

¹Das hier gemeinte Anschlagsrauschen wird durch den wiederholten Zeigerkontakt mit dem mechanischen Anschlag verursacht und bezieht sich nicht auf das Getriebegeräusch des Motors.
²Prellen bezieht sich auf die beobachtete Bewegung der Zeigerspitze während der Rückkehr in die Ruhestellung.

Ausführliche Erklärung der Steuerkettenstrategie für die Rückkehr in die Ruhestellung:
In einer Vorzugsausgestaltung wird eine Steuerkettenstrategie für die Rückkehr in die Ruhestellung verwendet. Mit der Einführung von Computern und programmierbaren Steuerungen wurde die Steuerung von Motoren mithilfe von Elektronik möglich. Der Motor wandelt elektrische Impulse von der Steuerung in diskrete Winkelschritte der Abtriebswelle um. Bei jedem elektrischen Impuls dreht sich der Motor um eine von der Auslegung des Motors abhängige Anzahl von Grad. 3 demonstriert Effekte der Ansteuerung des Motorzählwerks im Schrittmodus.
Ein Motor kann außerdem mithilfe eines gewissen Pegels des Mikroschrittmodus angesteuert werden. „Mikro" bedeutet hier einen Anteil eines Vollschritts. Dadurch werden benachbarte Schrittpositionen in eine Vielzahl von Schritten unterteilt.
In der Vorzugsausgestaltung wird die Stufung des Motors in Mikroschritten durch Anlegen verschiedener Potenziale an den zwei Motorspulen in einer Sinus-/Cosinus-Verfahrensweise im Gegensatz zu einer An-/Aus-Verfahrensweise erreicht. In einer Sinus-/Cosinus-Verfahrensweise sind die Phasen zwischen den zwei Treibersignalen, die die zwei Motorspulen ansteuern, um 90° phasenverschoben. In einer Vorzugsausgestaltung (siehe 1) wird der Motor 10 durch eine Steuerung 20 direkt angetrieben, die eine Spannung von etwa 5 V an jede Statorspule anlegt. Der Motor besteht aus zwei Spulen oder Wicklungen oder Statoren 12a und 12b und einem zehnpoligen Rotor 14. Der zehnpolige Rotor 14 ist an einer Welle 16 befestigt, die mit einem Getriebe 17 verbunden ist. Mithilfe von Welle 16 und Getriebe 17 wird der Zeiger 18 gedreht, indem sich der Rotors 14 dreht. Der mechanische Anschlag 19 verhindert eine Weiterbewegung des Zeigers 18.
An einem gewissen Punkt während der Rückkehr des Motors 10 in die Ruhestellung stoppt das Abtriebsrad 17 des Schrittmotors die Drehung entweder aufgrund des Kontakts des befestigten Zeigers 18 am externen Zeigeranschlag 19 oder weil der Getriebestift den internen Anschlag 19 kontaktiert. Wenn das Abtriebsrad 17 vor jeder weiteren Drehung im Uhrzeigersinn gestoppt wird, wird das Rotorzahnrad/der Rotormagnet 14 ebenfalls in der Drehung gestoppt.
Da dies kein Regelsystem darstellt, besteht keine Möglichkeit festzustellen, wann das Abtriebsrad die Drehung gestoppt hat. Um abzusichern, dass der Zeiger 18 den Zeigeranschlag 19 erreicht hat, und auf diese Weise beliebige verlorene Schritte zu korrigieren, setzt die Steuerung 20 den Umlauf durch die Zustände 45a fort. Die Zustände 45a repräsentieren diskrete Winkelschritte oder Auslenkungen des Motors 10.
Falls der Zeiger 18 oder das Abtriebsrad 17 in Kontakt mit dem Anschlag 19 war, als sich der Rotor 14 in der in 3, Schritt „b" gezeigten Position befand, würde der Rotor 14 und damit das Abtriebsrad/der Zeiger 19 auf die in Schritt „a" gezeigte Position „zurückspringen", wenn der Antrieb Schritt „e" erreicht hat. Das wird in 4 demonstriert. In den 3 und 4 bedeuten die weißen Ringsegmente, dass kein Feld anliegt. Das N neben einem Segment repräsentiert das Nordfeld, während das S neben einem Segment das Südfeld darstellt. Die Zahl bei N oder S bedeutet das aufeinander folgende Auftreten des Felds (N1, S1, N2, S2 ...), während es von Spule 1 zu Spule 2 wechselt. Der Punkt dient lediglich als fester Bezug auf dem Rotormagnet.
Während der Motorantrieb oder die Motorsteuerung 20 den Umlauf durch die Zustände 45a fortsetzt, würden der Rotor 14 und das Abtriebsrad 17 sowie der Zeiger 18 das Schwenken zum Zeigeranschlag 19 fortsetzen und auf die in Schritt „a" gezeigte Position zurückspringen (oder zurückprellen).
2 stellt eine Ausgestaltung der Erfindung dar, bei der ein interner Motoranschlag 21 verwendet wird. Das Getriebe 17 besteht aus einem Zwischenrad 22 und einem Abtriebsrad 23. Ein Getriebestift 24 ist auf dem Abtriebsrad 23 montiert. Mithilfe des Zwischenrads 22 und des Abtriebsrads 23 dreht sich der Stift 24, indem sich der Rotor 14 dreht. Der interne Motoranschlag 21 verhindert eine Weiterbewegung des Stifts 24.
In 5 repräsentiert jeder abwärts gerichtete Pfeil die Bewegung des Zeigers 18 oder des Abtriebsrads zum Anschlag 19. Bei externen Zeigeranschlägen ist da die Quelle des „Anschlagsrauschens". Jeder aufwärts gerichtete Pfeil repräsentiert das „Springen" oder „Prellen" des Abtriebsrads 17 oder des Zeigers 18 weg vom Anschlag, während sich der Rotor wieder mit dem Magnetfeld in den Statorspulen 12a, 12b und dem Motor 10 synchronisiert. Die Geschwindigkeit, mit der der Motor 10 während des Rückkehrprozesses in die Ruhestellung angetrieben wird, wirkt sich auf die Stärke des erzeugten Rauschens und auf den Prellungsbetrag aus.
Strategie zur Rückkehr des Schrittmotors in die Ruhestellung
Die Implementierung einer Strategie zur Rückkehr von Schrittmotoranwendungen in die Ruhestellung wird verwendet, um abzusichern, dass der Motor 10 von einem „bekannten" Bezugspunkt aus startet. (Tatsächlich ist jedoch nichts bekannt, da keine Regelrückkopplung existiert). Batterieanschluss, Zündschlüssel-Ein und Zündschüssel-Aus sind Ereignisse, bei denen eine Rückkehr in die Ruhestellung vorkommen kann.
6 zeigt ein zum Antrieb eines Schrittmotors 10 verwendetes 24-Mikroschritt-pulsweitenmoduliertes (PWM-)Spannungssignal. In einer Vorzugsausgestaltung umfasst die Steuerung 20 zwei Pulsweitenmodulationstreiber 25a, b zum Erzeugen der Treibersignale (siehe 1). In 6 sind die Spannungen von –100 % bis +100 % der Spitzenspannung (typischerweise 5 V für einen mikroschrittgesteuerten Schrittmotor) gestuft. Die Phasen zwischen den zwei Treibersignalen (PWM-C1) 30 und (PWM-C2) 40 sind 90° phasenverschoben dargestellt. Deshalb ist das die Spule 12a antreibende Steuersignal (PWM-C1) 30 zum die Spule 12b antreibenden Steuersignal (PWM-C2) 40 um 90° phasenverschoben. Die tatsächliche Phasenverschiebung hängt jedoch von der Motorauslegung ab.
Bei einem zweiseitigen Betrieb des Motors 10 ist die Verwendung eines bipolaren Antriebs erforderlich. Die positiven Impulse treiben den Motor 10 in Uhrzeigerrichtung an, während die negativen Impulse den Motor 10 entgegengesetzt zur Uhrzeigerrichtung antreiben. Die Impulsdauer wirkt sich auf den Gesamtbetrag der an den Motor 10 gelieferten Energie aus, wodurch die Gradzahl, um die sich der Motor dreht, beeinflusst wird.
7 stellt dar, wie die zur Berechnung der einzelnen Schritte bei den angelegten Spannungen verwendeten möglichen Motorzustände ermittelt werden. Eine bestehende Gesamtrotation um 360° wird in Zustände 45a unterteilt. 8 ist ein Flussdiagramm, das darstellt, wie die Antriebsspannungen für jeden Zustand 45 berechnet werden. Bei diesem Beispiel existieren 24 Zustände 45a oder Mikroschritte. Damit entspricht jeder Zustand einem Winkelschritt von 360/24 = 15° (Schritt 100/8). Als Nächstes werden die Antriebsspannungen 30, 40 für jeden Zustand 45a berechnet (Schritt 110/8). Bei Motorzustand #4 (der einer Winkelauslenkung oder einem Ausschlag von 4·15° = 60° entspricht) beträgt die die Spule 12a ansteuernde Spannung 30, PWM-C1, 5·cos(60°) = 2,5 V (Schritt 113/8). Die die Spule 12b ansteuernde Spannung 40, PWM-C2, beträgt 5·sin (60°) = 4,33 V (Schritt 116/8). Deshalb wird der Rotor 14 beim Anlegen dieser Spannungen 30, 40 an die Spulen 12a, 12b des Schrittmotors 10 von Null an um 60° ausschlagen (Schritt 120/8). Die folgende Tabelle 50 listet die Antriebsspannungswerte für die Spulen 12a und 12b für jeden der 24 Zustände oder Winkelausschläge 45a auf. Diese Tabelle 50 kann im Speicher 60 gespeichert sein. Sie kann in einem RAM- oder ROM-Speicher oder in einer beliebigen anderen Art von für die Steuerung 20 zugriffsfähigen Speichern gespeichert sein. Die Steuerung 20 umfasst außerdem einen Prozessor, einen Mikroprozessor oder eine beliebige andere Art von Verarbeitungs- oder Steuereinrichtungen 65, die an die Pulsweitenmodulationstreiber 25a, b und den Speicher 60 betriebsfähig angeschlossen sind. Der Speicher 60 kann Teil des Mikroprozessors 65 sein oder sich in einem separaten Logikblock oder Logikchip befinden. Der Speicher 60 kann außerdem auf demselben Chip wie die Steuerung 20 angeordnet sein.
Tabelle 50
Die Ansteuerung des Schrittmotors 10 mit diesen Spannungspegeln erzeugt für jede vorgegebene Geschwindigkeit das maximale Motordrehmoment, das in einer Ausgestaltung zwischen 300°/s und 100°/s von 1 bis 2 mNm (Millinewtonmeter) reicht. Wie voranstehend erwähnt, stehen sowohl die Stärke des Prellens des an der Abtriebswelle 16 befestigten Zeigers 18 des Motors 10 als auch die Stärke des Rauschens, das während des Kontaktierens des Zeigers 18 am mechanischen Anschlag 19 erzeugt wird, in direkter Verbindung mit der angelegten Spannung und der Geschwindigkeit oder Frequenz der Strategie zur Rückkehr in die Ruhestellung.
9 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Verringerung von Prellen und Rauschen während der Rückkehr in die Ruhestellung darstellt. Zur Verringerung des Prellens des Zeigers 18 und des erzeugten Rauschens auf gerade noch wahrnehmbare Pegel wird die angelegte Spannung auf einen Wert zwischen 15 % und 30 % der normalen Antriebsspannung (etwa 1 V bei einem 5 V-System) reduziert (siehe Schritt 200 in 9). Das Wechseln der Spannung (ihre Absenkung) verringert das Ausgangsdrehmoment des Motors, was zu einer geringeren Aufschlagkraft am Anschlag führt. Das führt während der ständigen Ansteuerung des Motors am Anschlag zu geringerem Rauschen und Prellen.
Außerdem wird die Geschwindigkeit für die Rückkehr in die Ruhestellung auf einen Wert unter der Start-/Stopp-Frequenz des Motors 10 eingestellt. Die Start-/Stopp-Frequenz ist die Frequenz, mit der sich der Motor 10 von einem Anschlag wegbewegt. Die Start-/Stopp-Frequenz eines Motors hängt vom Motordrehmoment und der Größe der anzutreibenden Last ab. Typische Start-/Stopp-Frequenzen liegen im 200°/s-Bereich. Die Verwendung von Niederfrequenzimpulsen, deren Frequenz unter der Start-/Stopp-Frequenz des Motors 10 liegt, sichert ab, dass sich der Motor 10 zuverlässig und synchron mit den Impulsen stufenweise bewegt (Schritt 210). Mach Nullung, wenn die Impulsfrequenz steigt, nämlich auf Werte über der Start-/Stopp-Freguenz, verringert sich mit Ansteigen der Frequenz das Antriebsdrehmoment. Das hat die erwünschte Konsequenz, dass das Antriebsdrehmoment bei Erreichen des Anschlags an der Nullposition des Zeigers 18 relativ klein ist. Folglich wird das Prellen verringert.
Dieses Verfahren kann in den folgenden Systemen wie folgt erreicht werden: Tabelle 80
Der Arbeitszyklus des Impulses ist von der Sollausgangsspannung abhängig, wie durch 7 festgestellt wird. Der Arbeitszyklus reicht von 0 % oder 0 V = 5 V·PV·sin(ϕ) bei ϕ = 0° bis 100 % oder 5 V = 5 V·PV·sin(ϕ) bei ϕ = 90°, wobei P V der prozentuale Anteil der zu verwendenden maximalen Spannung ist (100 % bei Normalbetrieb und 15 % bis 30 % unter Niederspannungsbetrieb). ϕ reicht von 0° bis 345° in 15°-Inkrementen für eine Gesamtheit von 24 möglichen Bedingungen/Zuständen.
In einer Vorzugsausgestaltung beträgt die Impulsweitenfrequenz 16 kHz. Die Frequenz des Treibersignals bezieht sich auf die Wechselgeschwindigkeit des Arbeitszyklus (der „Schrittgeschwindigkeit"). In einer Vorzugsausgestaltung sind das 40°/s bis 100°/s für die Zeigergeschwindigkeit. Damit reicht die Schrittfrequenz von 40°/s·12 Mikroschritte/1° = 480 Mikroschritte/s bis 100%/s·12 Mikroschritte/1° = 1200 Mikroschritte/s.
Deshalb ist aus der Spalte zwei von Tabelle 80 ersichtlich, dass die Verwendung von mikroprogrammierbaren Pulsweitenmadulations-(PWM-)Pegeln den Prozessor oder Mikroprozessor 65 einbezieht, der aus einer Tabelle wie z. B. der in Speicher 60 gespeicherten Tabelle 50 die gespeicherten Spannungspegel einliest, die dem Betrag der Sollwinkelauslenkung des Motors 10 entsprechen. Diese Spannungspegel werden an die Spulen 12a bzw. 12b angelegt. Die Steuerung 20 führt diese Operationen durch Ausführung von im Speicher 60 gespeicherten Softwareanweisungen 70 aus. Die Software 70 kann im in der Steuerung 20 angeordneten Speicher 60 oder in einem separaten Logikblock oder Logikchip gespeichert sein (siehe 1). In einer anderen Vorzugsausgestaltung kann die Saftware entweder als Software oder als Firmware im Prozessor 65 gespeichert sein.
Ein Beispiel eines Geräts, das als Pulsweitenmodulationstreiber 25a, 25b verwendet werden kann, ist der „einfache Schalter" LM2576 von National semiconductor. Diese Steuerung kann sich auf Spannungen von 4 bis 40 V, Steuerlastströme bis 3 A einstellen und Aus gangsspannungen von 1,23 bis 37 V bereitstellen. 10 ist ein funktionelles Blockschaubild des „einfachen Schalters" LM2576. Das Gerät enthält außerdem einen internen Schaltoszillator, der bei einer festgelegten Frequenz von 52 kHz arbeitet, was eine Periode T von etwa 20 μs ergibt. Das Ferneinschalten des Reglers wird durch einen Steuerpin erleichtert.
Es folgt eine funktionelle Beschreibung des LM2576. Es wird angenommen, dass die an den Leseeingängen (Pin 4) des Chips bereitgestellte unterteilte Ausgangsspannung anzeigt, dass die Ausgangsspannung zu hoch ist.
Mit einem hohen Leseinput (> +1,23 V) wird der invertierende Eingang zum Operationsverstärker kleiner als der nichtinvertierenden Eingang 1,23 Vref sein. Folglich wird der Spannungsoutput des Fehlerverstärker U1 positiver. Mit diesem positiven Input an der nichtinvertierenden Seite des Komparators U2 und dem Oszillatarsägezahnwellenformoutput durch einen 52-kHz-Oszillator U5 an der invertierenden Seite von U2 wird der Komparator U2 länger in einem hohen Zustand verweilen.
Mit dem häufiger hohen Input am NOR-Gatter U3 wird das NOR-Gatter U3 länger in einem niedrigen Zustand verweilen; das bedeutet, dass die An-Zeit t_on von Q1 verringert werden wird. Der Treiber U4 wird zur Verstärkung des Outputs von U3 verwendet. Da t_on verringert wird, wird weniger Strom dem Verbraucher bereitgestellt. Als Ergebnis tritt eine verringerte Ausgangsspannung an Pin 2, OUT auf.
Die PWM-Treiber 25a, b umfassen außerdem eine An-/Aus-Steuerung U6, die im normalen Betrieb geerdet sein sollte, und einen am Kollektor von Q1 angeschlossenen internen Regler U7. Der andere Eingang des NOR-Gatters U3 ist an eine Rücksetzschaltung U8 angeschlossen. Eine thermische Abschaltschaltung U9 und eine Strombegrenzungsschaltung U10 sind an U4 angeschlossen.
Aus der dritten Spalte von Tabelle 80 ist ersichtlich, dass die Anwendung der Verfahrensweise mit Treiber-IC und festgelegten diskreten Spannungen eine Verringerung der an den Motor 10 angelegten Spannungspegel einbezieht (Schritt 200/9). Das wird erreicht durch Verwendung einer Schaltung zur Verringerung der Größe der an die Wicklungen 12a, 12b des Schrittmotors 10 angelegten verfügbaren Antriebsspannungen (Schritt 203/9). Der Mikroprozessor 65 führt diese Operationen durch Ausführung von im Speicher 60 gespeicherten Softwareanweisungen 70 aus.
Aus der vierten Spalte von Tabelle 80 ist ersichtlich, dass die Anwendung der Verfahrensweise mit Treiber-IC und festgelegtem Spannungspegel-PWM eine Verringerung der an den Motor 10 angelegten Spannungspegel einbezieht (Schritt 200/9). Das wird erreicht durch Wechsel des Arbeitszyklus der an die Wicklungen 12a, 12b des Schrittmotors 10 angelegten Impulse (Schritt 205/9). Der Mikroprozessor 65 führt diese Operationen durch Ausführung von im Speicher 60 gespeicherten Softwareanweisungen 70 aus (siehe 1).
Die voranstehende Beschreibung offenbart und beschreibt eine beispielhafte Ausgestaltung der Erfindung. Mit. dem Fachgebiet vertraute Personen werden aus einer solchen Beschreibung und aus den zugehörigen Zeichnungen sowie Patentansprüchen leicht erkennen, dass verschiedene Änderungen, Modifikationen und Variationen ausgeführt werden können, ohne dass vom wahren Sinn und klaren Geltungsbereich der durch die beigefügten Patentansprüche definierten Erfindung abgewichen wird.

10: Schrittmotor
12a: zweite Statorspule
12b: zweite Statorspule
14: Rotor
16: Antriebswelle
17: Getriebe
18: Zeiger
19: Anschlag
20: Motorsteuerung
21: interner Motoranschlag
23: Abtriebsrad
24: Getriebestift
25a: erste Pulsweitenmodulations-Treiberschaltung
25b: zweite Pulsweitenmodulations-Treiberschaltung
30: Antriebsspannungspegel
40: Antriebsspannungspegel
45a: Zustände
45: Zustand
50: Tabelle
60: Speicher
65: Mikroprozessor
70: programmtechnische Mittel
80: Tabelle
U1: Fehlerverstärker
U2: Komparator
U3: NOR-Gatter
U4: Treiber
U5: Schaltoszillator
U6: An-/Aussteuerung
U7: Regler
U8: Rücksetzschaltung
U9: thermische Abschaltung
U10: Strombegrenzungsschaltung
Vin: normale Antriebsspannung

Claims

Vorrichtung zum Ansteuern eines Schrittmotors (10), der im Wesentlichen folgende Komponenten enthält: – einen Rotor (14) mit einer Welle (16), – mindestens zwei Statorspulen (12a, 12b), – ein Getriebe (17), – einen Zeiger (18), der über das Getriebe (17) mit der Welle (16) verbunden ist, und – einen Anschlag (19) für den Zeiger (18), mit einer Motorsteuerschaltung (20), die aufweist: – einen Mikroprozessor (65), – einen Speicher (60) mit einer Tabelle (50) und zugehörigen programmtechnischen Mitteln (70), wobei der Speicher (60) mit dem Mikroprozessor (65) verbunden ist, – Pulsweitenmodulations-Treiberschaltungen (25a, 25b), die eingangsseitig mit dem Mikroprozessor (65) und ausgangsseitig mit den Statorspulen (12a, 12b) in Verbindung stehen, wobei die Tabelle (50) im Speicher (60) Soll-Positionen des Anschlags (19) und des Zeigers (18) enthält sowie als Spannungstreibersignale ausgebildete Antriebsspannungspegel (30, 40) aufweist, die entsprechend von ebenso in der Tabelle (50) gespeicherten sinusförmigen Ansteuerspannungssignalen (45a) um 90° zueinander phasenverschoben sind, wobei die programmtechnischen Mittel (70) die normalen Antriebsspannungspegel (30, 40) auf Pegel zwischen 15 % und 30 % reduzieren und den Motor mit einer Frequenz ansteuern, die kleiner als die Start-/Stopp-Frequenz ist, wenn die Rückkehr des Zeigers (18) in die Ruhestellung am Anschlag (19) vorgesehen ist, wobei die Pulsweitenmodulations-Treiberschaltung (25a, 25b) als Schaltung zur Verringerung des Antriebsspannungspegels folgende wesentliche Baugruppen enthält: – einen Fehlerverstärker (U1) mit einem Leseeingang (Pin4) hoher Spannung und einem Eingang niedriger Bezugsspannung, – einen Komparator (U2) mit einem ersten Eingang, der mit dem Ausgang des Fehlerverstärkers (U1) verbunden ist, – ein NOR-Gatter (U3), an dessen erstem Eingang der Ausgang des Komparators (U2) anliegt, – einen Treiber (U4), an dessen Eingang der Ausgang des NOR-Gatters (U3) geführt ist, – einen Transistor (Q1), wobei der Ausgang des Treibers (U4) an die Basis des Transistors (Q1), dessen Kollektor mit einem Spannungspegeleingang Vin (Pin1) und einem internen Regler (U7) verbunden ist, der mit einer über Pin5 betätigbaren An-/Aussteuerung (U6) in Verbindung steht, und dessen Emitter den prozentual verringerten Antriebsspannungspegel am Pin2 bereitstellt, – einen internen mit festgelegter Frequenz arbeitenden Schaltoszillator (U5), dessen Ausgang mit dem zweiten Eingang des Komparators (U2) verbunden ist, – eine Rücksetzschaltung (U8), deren Ausgang an den zweiten Eingang des NOR-Gatters (U3) angeschlossen ist, – eine thermische Abschaltung (U9) und eine Strombegrenzungsschaltung (U10), deren Ausgänge an den Treiber (U4) führen.