DE112009000502T5

DE112009000502T5 - Selbstkalibrierungsalgorithmen in einem Kleinmotor-Treiber IC mit integriertem Positionssensor

Info

Publication number: DE112009000502T5
Application number: DE112009000502T
Authority: DE
Inventors: Ravi Vig; Paul David; Shaun D. Milano; Michael C. Doogue; David J. Haas
Original assignee: Allegro Microsystems Inc
Current assignee: Allegro Microsystems Inc
Priority date: 2008-03-06
Filing date: 2009-01-22
Publication date: 2011-02-10
Anticipated expiration: 2029-01-23
Also published as: DE112009000502T8; JP2015039293A; WO2009111104A2; CN101960714B; DE112009000502B4; CN101960714A; US20090224716A1; JP2011514133A; US7936144B2; WO2009111104A3; KR20100125383A

Abstract

Einrichtung zur Steuerung eines Motors, welche folgendes umfasst:
einen Treiber und einen Sensor;
eine erste Schaltungsanordnung, welche mit dem Treiber und dem Sensor gekoppelt ist, um den Treiber und den Sensor zur Erzeugung von Kalibrierungsinformation für den Motor zu steuern;
eine zweite Schaltungsanordnung, welche mit der ersten Schaltungsanordnung gekoppelt ist, um einen Eingang relativ zu einem Eingangsbereich einzustellen, der auf der Kalibrierungsinformation basiert; und
wobei der eingestellte Eingang zur Erzeugung eines Treibersignals zum Antrieb des Motors dient.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft allgemein Kalibrierungstechniken für die Motorsteuerung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Beim Betrieb von Kleinmotoren können mechanischen Toleranzen und Hystereseeeffekte sowie Veränderungen des Magnetkreises einen Versatz der Motor-Bewegungsausgangsposition (oder Heimposition) und einen verminderten Bewegungsweg verursachen. Diese Heimpositionsversetzungen und Begrenzungen der Bewegungswegweite ändern sich von Motor zu Motor. Somit kann eine präzise lineare Bewegungssteuerung solcher Motoren schwierig erreichbar sein, ohne dass irgendeine Art der Kalibrierung oder Eichung vorgesehen wird.
In einigen Positionierungsanwendungen führt der Mikroprozessor oder Prozessor, welcher die Antriebssignalanforderungen (d. h., Positionsanforderungen) ausgibt, auch eine Kalibrierungsroutine durch. Die Kalibrierungsroutine kann Ausgangssignaldaten von einer Anzahl von verschiedenen Komponenten verwenden, einschließlich eines Positionssensors, um einen Versatz und Unterschiede der Bewegungswegweite zu kompensieren. Der Mikrocontroller muss die Kalibrierungsdaten speichern und nachfolgend verwenden, um die Positionssollwerte zu errechnen. Diese Art der Kalibrierung erfordert Bearbeitungszeit und die Zuordnung von Speicherplatz.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Im Allgemeinen ist gemäß einem Aspekt die Erfindung auf eine Einrichtung zur Steuerung eines Motors gerichtet. Die Einrichtung enthält einen Treiber und einen Sensor. Die Einrichtung enthält weiter: eine erste Schaltungsanordnung, welche mit dem Treiber und dem Sensor gekoppelt ist, um den Treiber und den Sensor zu steuern, um Kalibrierungsinformation für den Motor zu erzeugen; und eine zweite Schaltungsanordnung, welche mit der ersten Schaltungsanordnung gekoppelt ist, um einen Eingang relativ zu einem Eingangsbereich einzustellen, der auf der Kalibrierungsinformation basiert. Der eingestellte Eingang ist zur Erzeugung eines Treibersignals zum Antrieb des Motors verwendbar.
Ausführungsformen der Erfindung können eines oder mehrere der folgenden Merkmale enthalten. Die Kalibrierungsinformation kann einen ersten Kalibrierungswert entsprechend einem Bewegungsausgangs-Positionswert enthalten, welcher von dem Sensor abgegeben wird, wenn der Treiber keinen Strom an den Motor liefert, sowie einen zweiten Kalibrierungswert entsprechend einem Bewegungsweg-Endpositionswert, welcher von dem Sensor abgegeben wird, wenn der Treiber zu dem Motor einen Strom liefert, der die Erzeugung einer maximalen Positionsänderung ermöglicht. Die zweite Schaltungsanordnung kann eine Eingangsschnittstelle zum Empfangen einer Eingangsanforderung als ein Eingang enthalten und die erste Schaltungsanordnung kann einen Kalibrierungssteuerblock enthalten, welcher die ersten und zweiten Kalibrierungswerte an die Eingangsschnittstelle liefert. Die Eingangsanforderung kann ein Digitalwert sein und die Eingangsschnittstelle kann einen Digital-/Analogumformer (D/C) enthalten, welcher einen ersten Bezugseingang aufweist, um den ersten Kalibrierungswert als erste Bezugsgröße aufzunehmen, und einen zweiten Bezugsanschluss zur Aufnahme des zweiten Kalibrierungswertes als einen zweiten Bezug, wobei der erste und der zweite Bezugswert einen Eingangsbereich definieren. Der Treiber kann ein Stimmspulentreiber sein und der Sensor kann ein Magnetfeldsensor sein.
Gemäß einem anderen Aspekt ist die Erfindung auf ein System gerichtet, welches eine Steuereinrichtung und ein Bewegungssteuergerät enthält, welches mit der Steuereinrichtung und einem Stimmspulenmotor (VCM) gekoppelt ist. Die Bewegungssteuereinrichtung enthält einen Stimmspulentreiber und einen Magnetfeldsensor. Die Bewegungssteuereinrichtung enthält weiter folgendes: eine erste Schaltungsanordnung, welche mit dem Stimmspulentreiber und dem Magnetfeldsensor gekoppelt ist, um den Stimmspulentreiber und den Magnetfeldsensor zu steuern, um eine Kalibrierungsinformation für den Stimmspulenmotor (VCM) zu erzeugen; und eine zweite Schaltungsanordnung, welche mit der ersten Schaltungsanordnung gekoppelt ist, um einen Eingang relativ zu einem Eingangsbereich einzustellen, der auf der Kalibrierungsinformation basiert. Der eingestellte Eingang ist zur Erzeugung eines Treibersignals zur Beaufschlagung des Stimmspulenmotors verwendbar.
Ausführungsformen der Erfindung können eines oder mehrere der folgenden Merkmale enthalten. Die Steuereinrichtung kann so ausgebildet sein, dass das Bewegungssteuergerät zur Fokussierung der Linse einer Kamera verwendet wird. Der Stimmspulentreiber, der Magnetfeldsensor, die erste Schaltungsanordnung und die zweite Schaltungsanordnung können als ein integriertes Halbleiterchip zusammengefasst sein. Das integrierte Halbleiterchip und die Steuereinrichtung können an einem Kameralinsen-Fokussierungsmodul angeordnet sein.
Bestimmte praktische Ausführungen der Erfindung können einen oder mehrere der folgenden Vorteile bedingen. Das Bewegungssteuergerät kann eine genaue lineare Bewegungssteuerung über die Position irgendeines Motors (beispielsweise VCM) erreichen, welcher von ihm gesteuert wird, und zwar trotz wesentlicher Änderungen in der Bewegungsausgangsposition und der Bewegungsendposition, welche bei einzelnen Motoren beobachtet werden können. Neben der erhöhten Genauigkeit umfassen andere Vorteile für den Benutzer oder den Anwendungsfall die Wiederholbarkeit sowie verbesserte Geschwindigkeit, beispielsweise verminderte Fokussierungszeit in Kameralinsen-Fokussierungsmodulen. Zusätzlich sind äußere, vom Mikrocontroller ausgeführte Kalibrierungsroutinen nicht länger notwendig.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorstehend genannten Merkmale der Erfindung sowie die Erfindung selbst werden noch vollumfänglicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Zeichnungen verständlich, in welchen:
1 ein Blockschaltbild eines beispielsweisen Steuersystems ist, welches ein Bewegungssteuergerät verwendet, das einen Magnetfeldsensor, einen Spulentreiber und eine Schnittstelle mit Selbstkalibrierungsunterstützung enthält;
2 eine Graphik ist, welche ideale und gemessene Übertragungsfunktionen für die Eingangsanforderung in Abhängigkeit von dem Ausgangsansprechen (der Position) zeigt;
3 ein teilweise als Blockschaltbild und teilweise als schematisches Schaltbild gezeichnetes Diagramm der Schnittstelle von 1 ist, welche eine Eingangsschnittstelle und einen Kalibrierungssteuerblock enthält;
4 ein Flussdiagramm dargestellt, das eine beispielsweise Selbstkalibrierung verdeutlicht, wie sie durch das Bewegungssteuergerät von 1 durchgeführt wird;
5A bis 5C teilweise als Blockschaltbild und teilweise als schematisches Schaltbild gezeichnete Diagramme der Eingangsschnittstelle von 3 für eine digitale Eingangsanforderung (5A) und für eine analoge Eingangsanforderung (5B und 5C) zeigen;
6A und 6B teilweise als Blockschaltbild und teilweise als schematisches Schaltbild dargestellte Diagramme von alternativen Ausführungsformen der Schnittstelle (1) sind;
7A und 7B teilweises als Blockschaltbild und teilweise als schematisches Schaltbild gezeichnete Diagramme des Spulentreibers von 1 sind, der als ein Vollwellen- oder „H-Brücken-” Spulentreiber (7A) und ein unterseitiger Spulentreiber (7B) ausgeführt sind; und
8 ein Blockschaltbild eines beispielsweisen Kameralinsen-Fokussierungssystems zeigt, in welchem ein Bewegungssteuergerät, beispielsweise ein solches, wie es in 1 gezeigt ist, verwendet werden kann.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
1 zeigt ein Beispiel eines Steuersystems 10, das eine Bewegungssteuerung in geschlossener Schleife in einer Positionierungsanwendung vornimmt. Das Steuersystem 10 enthält eine Steuereinrichtung 12, welche an ein Bewegungssteuergerät (oder „Gerät”) 14 angeschlossen ist. Das Steuersystem enthält auch eine Bewegungseinrichtung 16, die eine Anordnung mit einem Magneten 18 und einer Spule 20 aufweist. Die Magnet-/Spulen-Anordnung hat Verbindung zu einem Gerät oder einer Struktur, welches bzw. welche für eine bestimmte Anwendung zu bewegen ist. In einer hier beschriebenen Ausführungsform ist der Magnet 18 relativ zu der Spule 20 bewegbar und das Steuersystem 10 steuert die Bewegung des Magneten 18 mit der Spule 20. Die Bewegungseinrichtung 16 kann eine beliebige Art eines Linearbewegungsgerätes, beispielsweise ein Linearmotor, etwa ein Stimmspulenmotor (VCM) sein. Die Positionierungsanwendung kann eine beliebige Anwendung sein, welche eine Verschiebung benutzt, die durch die Bewegungseinrichtung erzeugt wird.
Das Bewegungssteuergerät 14 enthält einen Positionssensor, welcher als ein Magnetfeldsensor 22 dargestellt ist, einen Spulentreiber 24 und eine Schnittstelle mit Kalibrierungssupport 26. Der Magnetfeldsensor 22 kann irgendein Magnetfeldfühlergerät sein, beispielsweise ein Halleffekt-Fühler (Hallsensor) oder eine Art eines magnetoresistiven Sensors (MR-Sensor). Der MR-Sensor kann unter Verwendung irgendeiner Art eines MR-Elementes gefertigt sein, einschließlich, jedoch nicht im beschränkenden Sinne, folgender Elemente: GMR-Elemente einschließlich stiftloser antiferromagnetischer Vielschicht-Sandwichelemente und Spinn-Ventilstrukturen; anisotropische magnetoresistive Elemente (AMR); magnetische Tunnelübergangselemente (MTJ, auch bekannt als spinnabhängige Tunnelelemente oder „SDT”); sowie tunnel-magnetoresistive Elemente (TMR). Das Bewegungssteuergerät 14 liefert an die Spule 20 ein Stromsignal 28, welches zu einem elektrischen Eingang 30 in Beziehung steht, der von der Steuereinrichtung 12 empfangen wird. Das Gerät 14 verwendet den Magnetfeldsensor 22 zum Detektieren der magnetischen Feldstärke 32. Basierend auf dieser Detektierung liefert der Magnetfeldsensor ein Sensorausgangssignal 34 an die Schnittstelle 26.
Es sei weiterhin auf 1 Bezug genommen. Die Schnittstelle 26 dient zur Schaffung des Übergangs zwischen dem Spulentreiber 24 und der Steuereinrichtung 12 sowie zur Kopplung des Spulentreibers 24 mit dem Magnetfeldsensor 22. Sie empfängt den Ausgang des Magnetfeldsensors 22, nämlich den Sensorausgang 34 als ein Eingangsspannungssignal und liefert ein Ausgangsspannungssignal 36 an den Spulentreiber 24, welcher dieses Signal in einen Treiberstrom (oder ein Treibersignal) 28 umwandelt, das an die Spule 20 geführt wird. Die Verbindung vom Sensor zum Treiber gestattet es dem Gerät 14, richtig zu positionieren, nämlich auf der Basis der internen Sensorrückkopplung, d. h. ohne Eingriffnahme durch die Steuereinrichtung 12 (und/oder durch den Benutzer), oder ohne die Notwendigkeit anderer Komponenten zur Lieferung der Positions-Rückkopplungsinformation. Zusätzlich enthält, wie weiter unten mehr im Einzelnen beschrieben wird, die Schnittstelle 26 eine Kalibrierungsunterstützung, um es dem Bewegungssteuergerät 14 zu ermöglichen, sich selbst zu kalibrieren. Diese Selbstkalibrierung gestattet es dem Benutzer des Steuersystems oder der betreffenden Anwendung eine lineare Positionierung von einer nichtlinearen Regelschleife zu erhalten.
In einer beispielsweisen Ausführungsform ist das Linearbewegungs-Steuergerät 14 als integrierte Halbleiterschaltung (IC) ausgeführt. Das bedeutet, der Magnetfeldsensor ist mit der Schaltungsanordnung des Spulentreibers 24 und der Schnittstelle 26 auf einem einzigen Halbleitersubstrat integriert. Aus diesem Grunde kann das Gerät 14als integrierte Schaltung zur Verwendung in einer Modulkonstruktion hergestellt werden.
Man erkennt, dass 1 nur einen funktionellen Ausschnitt des Steuersystems 10 darstellen soll. Wenn als integrierte Schaltung aufgebaut kann das Bewegungssteuergerät 14 an der Magnet-/Spulenanordnung der Bewegungseinrichtung selbst angebaut oder in diese eingebettet sein. Ein Beispiel einer solchen Magnet-/Spulenanordnung, bei welcher der Magnet sich relativ zu einer stillstehenden Spule bewegt, ist in der schwebenden US-Patentanmeldung Nr. 11/865,118 mit dem Titel „Hall-Effect Based Linear Motor Controller”, eingereicht am 1. Oktober 2007 auf den Namen von David u. a. und auf Allegro Microsystems Inc., dem Zessionar der vorliegenden Anmeldung, beschrieben. In diesem Beispiel ist die integrierte Schaltung mit der Antriebsspule 20 verbunden und die Antriebsspule 20 ist an einem Vorspannmechanismus angeordnet (oder damit gekoppelt), und der bewegliche Magnet ist oberhalb der Geräte-/Spulenkonstruktion durch ein mechanisches Aufhängungssystem aufgehängt, das eine Bewegung längs eines gewünschten Bewegungsweges gestattet. Die Magnet-Spulenanordnung könnte anstelle hiervon einen stationären Magneten und eine bewegliche Spule verwenden oder könnte durch einen anderen Mechanismus ersetzt werden, der in der Lage ist, eine Änderung in der Magnetfeldstärke bei Änderung in der Position zu erzeugen.
2 zeigt eine Graphik 40, welche eine Beziehung zwischen einem Steuersignal oder einem Anforderungseingang oder einem Positionsausgang darstellt. Eine erste Kennlinie 42 (als durchgezogene Linie dargestellt) zeigt eine ideale Übertragungsfunktionskurve für eine Beziehung, welche linear ist (d. h. der Positionierungsausgang ist direkt proportional zu dem Eingang, so dass die Kennlinie des Ausgangs gegenüber dem Eingang den Verlauf einer geraden Linie hat) was über den vollen dynamischen Eingangsbereich der Fall ist, etwa 0 V bis VDD. In dem dargestellten Beispiel ist der Anforderungseingang als ein Acht-Bit-Digitaleingang dargestellt, mit einem 0-Wert entsprechend einer Heimposition (oder Bewegungsausgangsposition) und einem Wert von 255 entsprechend der Position nach einem vollen Bewegungsweg oder Bewegungswegendposition) so dass der volle dynamische Eingangsbereich von 0 bis 255 reichen würde. Eine zweite Kennlinie 44 (durch unterbrochene Linien dargestellt) zeigt eine tatsächliche Übertragungsfunktion für eine Bewegungseinrichtung, bei welcher der Positionsausgang für einen Anforderungseingang gemessen wird. Es besteht ein Versatz in Zuordnung zu der Bewegungsweg-Ausgangsposition und ein verminderter Bereich des Bewegungsweges in Zuordnung zu der Bewegungsweg-Endposition. Ein Eingangswert entsprechend dem Versatz ist durch die Bezugszahl 46 (mit dem Zusatz „A”) bezeichnet und ein Eingangswert entsprechend der Bewegungsweg-Endposition ist durch die Bezugszahl 48 (mit der zusätzlichen Bezeichnung „B”) bezeichnet. Folglich ist die Beziehung des Ausganges zum Eingang für die tatsächliche Kurve über den vollen dynamischen Bereich von 0 bis 255 nicht linear, außer zwischen und einschließlich den Eingangswerten zwischen A und B. Da unterschiedliche Bewegungseinrichtungen unterschiedliche Größen des Versatzes und des Bereiches der Bewegung haben, können die Anfangspunkte und Endpunkte A und B eine gewisse ihnen zugeordnete Veränderlichkeit haben.
Für ein Verständnis der praktischen Einflüsse der Beschränkungen des Versatzes und der Größe des Bewegungsweges sei als Beispiel der Fall eines Kamerafokusierungssystem betrachtet. Ein üblicher Fokusierungsalgorithmus bewegt die Kameralinse durch eine Serie von bestimmten Positionen in dem Bestreben, die optimale Fokusierungsposition zu bestimmen. Ein „idealer” VCM, nämlich einer, der einen vollen dynamischen Bereich des Anforderungssignals unterstützt, bewegt die Kameralinse zuverlässig durch sämtliche gewünschten Zahlen von Fokusierungsschritten, um eine Feinfokusierungsmöglichkeit zu erreichen. Ein typischer VCM mit einem gewissen Versatz und einem begrenzten Bewegungsweg bewegt jedoch die Kameralinse über eine kleinere Anzahl von Fokusierungsschritten und erreicht daher nur eine Fokusierungsgrobeinstellung.
Das Bewegungssteuergerät 14 kompensiert daher Differenzen zwischen dem idealen und dem tatsächlichen gemessenen Ausgangsansprechen. Es führt eine Selbstkalibrierung durch, welche die Endpunkte der Bewegung der Bewegungseinrichtung 16 („Kalibrierungswerte”) misst und den Eingangbereich ändert, nämlich im einzelnen die Endpunkte des Eingangsbereiches entsprechend der Heimposition oder Bewegungswegausgangsposition und der Position nach dem vollen Bewegungsweg gegenüber den Werten eines vollen dynamischen Eingangsbereich, der durch den Benutzer oder die Anwendung über die Steuereinrichtung spezifiziert werden, zu Endpunkten, die während der Eichung gemessen werden. Da die Einrichtung 14 einen Positionssensor, einen Treiber und eine Kalibrierungsunterstützung enthält, kann sie eine Bewegung einer Bewegungseinrichtung über ihren vollen Bewegungsweg bewirken, die Bewegungsstartposition und die Bewegungsweg-Endposition der Bewegungseinrichtung erfassen und diese Information zur Kompensation zu der Versatzänderung und der Bewegungswegänderung verwenden, welche für die betreffende Bewegungseinrichtung charakteristisch sind. Nach der Selbstkalibrierung arbeitet das Bewegungssteuergerät daraufhin im Sinne einer „Bemaßstabung” oder Einstellung des Einganges (und daher des Ansprechens des Steuersystems) relativ zu dem Eingangsbereich. Diese Bemaßstabung oder Einstellung resultiert in einem verbesserten Ansprechen (sowie verbesserte Geschwindigkeit) der Regelschleife, da die Bewegungseinrichtung nur über einen Teil ihres Arbeitsbereiches verwendet wird, in welchem sie vorhersehbare Eigenschaften und Linearität aufweist.
Der Anforderungseingang oder die Anforderungseingabe ist der Eingang, welcher durch den Benutzer (über die Steuereinrichtung) eingegeben wird, um eine Position der Bewegungseinrichtung auszuwählen. Die Anforderungseingabe könnte ein Analogsignal, ein impulsbreitenmoduliertes (PWM) Signal oder ein Digitalwert sein, der über ein Schnittstellenprotokoll geliefert wird, beispielsweise ein serielles Schnittstellenprotokoll etwa I²C.
Die Selbstkalibrierung kann in vielerlei Art und Weise initiiert werden. Beispielsweise kann sie automatisch für jeden Einschaltzyklus vorgenommen werden. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann eine Kalibrierungsanforderung als ein Kalibrierungsbefehl erzeugt werden, der von der Steuereinrichtung 12 zu dem Bewegungssteuergerät 14 über den Anforderungseingang 30 selbst oder eine andere Steuerleitung oder andere Steuerleitungen gegeben wird (beispielsweise ein hierfür vorgesehener Kalibrierungssteuereingang). Die Zeitvorgabe kann ereignisgesteuert, vom Benutzer definiert oder auf beide Arten geschehen.
Es sei nun auf 3 Bezug genommen. Die Schnittstelle 26 enthält einen Verstärker 50, einen Differenzverstärker hohen Verstärkungsgewinns, welcher als Vergleicher arbeitet, und eine Eingangsschnittstelle 52. Die Eingangsschnittstelle 52 empfängt den Eingang 30 von der Steuereinrichtung 12 (siehe 1). Der Verstärker 50 empfängt als Eingang ein Eingangssignal 54 und das Magnetfeldsensor-Ausgangssignal 34. Er erzeugt das Ausgangssignal 36 auf der Basis der Signale 34 und 54 und das Ausgangssignal 36 wird an den Spulentreiber 24 geliefert. Auch ist in 3 eine Speisespannungsleitung 58 gezeigt, die dazu dient, den Spulentreiber 24 mit einer äußeren Speisespannungsquelle („VDD”) zu verbinden, sowie eine Erdleitung 60, um den Spulentreiber 24 mit Erde („GND”) zu verbinden. Weitere Unterschaltungen haben, wie dargestellt, Verbindung zur Spannungsquelle und zur Erde.
Es sei auf die 1 und 3 Bezug genommen. Die Schnittstelle 26 treibt Strom durch die Spule 20. Der Strom in der Spule 20 ändert sich, bis die Position der Bewegungseinrichtung 16 in einer Magnetfeldsensor-Ausgangsspannung (Ausgang 34) resultiert, welche eine vorbestimmte Beziehung gegenüber dem Eingang 54 hat, etwa mit dem Eingang 54 übereinstimmt. Nimmt man an, dass sich das Gerät 14 bereits selbst geeicht oder kalibriert hat, dann ist der Eingang 54 eine eingestellte Version des Eingangs 30 und kann hier als der eingestellte Eingang bezeichnet werden.
Wie zuvor erwähnt enthält die Schnittstelle 26 Mittel zur Selbstkalibrierung. Die Kalibrierungssteuerung wird in einem Kalibrierungssteuerblock 62 vorgenommen. Der Kalibrierungssteuerblock 62 enthält einen Kalibrierungswert-Erfassungsblock 64, welcher Kalibrierungswerte (d. h., den Sensorausgang 34, gemessen für die Heimposition oder Bewegungs-Ausgangsposition und die Position für den vollen Bewegungsweg) an dem Kalibrierungssteuerblock-Eingang 66 empfängt. Diese Kalibrierungswerte oder die Werte, welche von den Kalibrierungswerten abgeleitet oder daraus berechnet worden sind, werden an die Eingangsschnittstelle 52 über Leitungen 68a und 68b geliefert. In einer Ausführungsform kann der Kalibrierungswert-Erfassungsblock 64 durch zwei gesonderte Tast- und Haltekreise (S/H) verwirklicht werden, einen für die Erfassung des Wertes der Position des vollen Bewegungsweges und der andere zur Erfassung des Wertes für die Ausgangsposition oder die Heimposition.
Der Kalibrierungssteuerblock 62 empfängt ein Ausgangssignal von der Eingangsschnittstelle 52, welches als Ausgang 70 dargestellt ist, und liefert dieses Signal als Eingang 54 an den Verstärker 50, wenn das Gerät 14 in dem Normalbetriebsmodus (ohne Eichung) arbeitet. Wenn eine Eichung oder Kalibrierung gewünscht wird, dann erzeugt der Kalibrierungssteuerblock 62 intern das als Verstärkereingang 54 erzeugte Signal. Somit ist es während der Selbstkalibrierung der Kalibrierungssteuerblock 62, welcher die Erzeugung des Treibersignals bewirkt, so dass die Werte für die Ausgangsposition oder Heimposition und für den vollen Bewegungsweg erhalten werden. Anderenfalls basiert während des normalen Betriebes das Treibersignal auf dem vom Benutzer geschaffenen Eingang 30.
Verbindungen für kalibrierungsbezogene oder ausgangssteuerungsbezogene Zwecke sind allgemein durch die Leitung oder Leitungen 72 dargestellt. Diese enthielten beispielsweise Übermittlungen (von der Eingangsschnittstelle 52) bezüglich empfangener Kalibrierungsanforderungen, wenn der Eingang 30 dazu verwendet wird, einen Kalibrierungsanforderungsbefehl an die Eingangsschnittstelle 52 zu übertragen.
Wie aus 4 ersichtlich, arbeitet in einer beispielsweisen Ausführungsform die Selbstkalibrierung 80 folgendermaßen. Ist einmal die Selbstkalibrierung initiiert (Block 82), beispielsweise bei der Leistungseinschaltung, dann verursacht der Kalibrierungssteuerblock 62 die Erzeugung eines Ausgangswertes durch den Sensor, wenn ein Strom von 0 mA an die Spule (Block 84) geliefert wird, und dieser Ausgangswert wird als der Heimpositionswert oder erster Kalibrierungswert „–Ref” (siehe Block (6) gespeichert. Das bedeutet ein Spulenstrom von 0 mA wird an den Spulentreiber 24 geliefert, um eine Bewegung der Bewegungseinrichtung zur Heimposition oder Ausgangsposition zu bewirken und die Sensorausgangsspannung wird erfasst, wenn die Bewegungseinrichtung sich in der Bewegungs-Ausgangsposition oder Heimposition befindet. Der Kalibrierungssteuerblock bewirkt dann, das ein Strom an die Spule geliefert wird, um eine maximale Verschiebung (d. h., einen vollen Bewegungsweg) der Bewegungseinrichtung zu bewirken und die Erzeugung eines Sensorausganges für die Position des vollen Bewegungsweges (Block 88) hervorzurufen. Der Sensorausgangswert wird dann als Positionswert für den vollen Bewegungsweg oder als zweiter Kalibrierungswert „+Ref” (Block 90) gespeichert. Mit anderen Worten, der Kalibrierungssteuerblock 62 maximiert den an den Spulentreiber 24 gelieferten Spulenstrom zur Bewegung der Bewegungseinrichtung in die Maximalposition (oder Position des vollen Bewegungsweges) und erfasst die Sensorausgangsspannung bei dieser Position. Der Kalibrierungssteuerblock 62 bestimmt (beim Blocksymbol 92), ob es Zeit zur Durchführung einer weiteren Kalibrierung ist, und ist dies so, dann beginnt die Selbstkalibrierung wieder bei dem Blocksymbol 84. In dem dargestellten Beispiel geschieht die Selbstkalibrierung bei Einschaltung und zu anderen Zeiten, welche durch einen Kalibrierungsbefehl (über die Eingangsanforderung) oder durch ein anderes Steuersignal bestimmt werden.
Unter „Speicherung” ist zu verstehen, dass die Kalibrierungswerte erfasst und an Schaltungsanordnungen im Eingangsweg oder alternativ dem Fühlerausgangsweg zu Kompensationszwecken geliefert werden, wie unter Bezugnahme auf die 5A bis 5C beschrieben wird (diese zeigen die Schaltungsanordnung des Eingangsweges) und wie unter Bezugnahme auf die 6A bis 6B beschrieben wird (diese zeigen die Schaltungsanordnung des Fühlerausgangsweges). In einer Ausführungsform, und hier sei wieder auf 3 Bezug genommen, werden, wenn die Kalibrierungswerte „gespeichert” werden, diese durch die Schaltungsanordnung des Kalibrierungswert-Erfassungsblocks 64 erfasst und nachfolgend an die Eingangsschnittstelle 62 auf den Leitungen 68a und 68b geliefert.
Die 5A, 5B und 5C zeigen alternative Ausführungsformen der Eingangsschnittstelle 52. Zunächst sei auf 5A Bezug genommen. Die Eingangsschnittstelle 52 ist so ausgeführt, dass sie einen digitalen Eingang als Eingang 30 empfängt. In dem gezeigten Beispiel wird der Eingang 30 durch eine serielle Schnittstelle 100 (beispielsweise eine I²C-Schnittstelle) empfangen, welche einen digitalen Code über die Leitung 102 erzeugt. Die Leitung 102 koppelt die serielle Schnittstelle 100 an einen Digital-/Analogumformer (D/A) 104 an. Der Digital-/Analogumformer 104 erzeugt einen repräsentativen analogen Ausgang aus dem digitalen Eingang. Der D/A-Umformer 104 hat Anschlüsse 106a und 106b, welche dem hohen Bezugseingang +Ref bzw. dem niedrigen Bezugseingang –Ref entsprechen. Der hohe Bezugseingang an dem Anschluss 106a definiert den maximalen Ausgang, wenn sämtliche Eingangsbits Einsen sind und der niedrige Bezugseingang am Anschluss 106b definiert den minimalen Ausgang wenn sämtliche Eingangsbits Nullen sind. Diese D/A-Anschlüsse sind an die Kalibrierungswertleitungen 68a und 68b angekoppelt und empfangen über diese Leitungen die erfassten Kalibrierungswerte. Wenn der Sensorausgang 34 ein Maß für die Heimposition (während der Selbskalibrierung) ist wird er dem Anschluss 106b zugeführt. Wenn der Sensorausgang 34 ein Maß für die Position des vollen Bewegungsweges (während der Selbstkalibrierung) ist, wird er dem Anschluss 106a zugeführt. Der D/A-Anschluss 106a für +Ref wird somit mit dem Kalibrierungswert für die Position über den vollen Bewegungsweg (Bewegungswegende) eingestellt, und der D/A-Anschluss 106b für –Ref wird mit dem Kalibrierungswert für die Heimposition (Bewegungsausgangsposition) eingestellt.
Wenn nach der Kalibrierung an dem Eingang 30 eine nicht der Kalibrierung dienende Eingangsanforderung empfangen wird, dann erzeugt der D/A-Umformer 104 einen Ausgang, nämlich den Eingangsschnittstellenausgang 70, der gemäß dem D/A-Eingangsbereich bemaßstabt ist, der durch die auf der Kalibrierung basierenden Bezugswerte definiert ist. Der analoge Ausgang eines n-Bit-D/A-Umformers ist: {(digital input)(+Ref – –Ref)}/(2ⁿ – 1)
Beispielsweise ist für +Ref = 5,0 V und –Ref = 0 V und einen Eingangswert von 10000000 (128₁₀) der Ausgang 2,5 V. Bei einer Aktualisierung für Kalibrierungswerte von +Ref = 3,0 V und –Ref = 1 V (für denselben Eingangswert) ist der Ausgang 1,0 V. Der Eingang wird somit in geeigneterweise durch die Eingangsbereichsspannung (d. h. +Ref bis –Ref) in geeigneter Weise bemaßstabt, was der Linearisierung des Ausgangsansprechens dient. Das bedeutet, es wird eine Änderung des Treibersignals 28 (von 1) erzeugt, welche linear einer unterschiedlichen Motorposition entspricht. Jedwede D/A-Umformerarchitektur, beispielsweise ein binärgewichtetes Leiternetzwerk oder R-2R Leiternetzwerk, kann verwendet werden.
Die resultierende Linearisierung des Ausgangsansprechens ist für den Benutzer/die Steuerung transparent. Es sei beispielsweise angenommen, dass die Eingangsanforderung 30 ein Analogsignal mit einem Eingangsspannungsbereich von 0 V bis VDD annimmt. Der Differenzverstärker 50 bestimmt die Differenz zwischen dem Eingang 54 (d. h., dem eingestellten Eingang) und dem Sensorausgang 34, und sendet das Spulentreibersignal 36 an den Spulentreiber 24. Der Spulentreiber treibt die Bewegungseinrichtung an die gewünschte Position. Die Verlagerung der Bewegungseinrichtung wird durch den Sensor 22 gemessen, der den gemessenen Ausgang 34 an den Differenzverstärker 50 liefert, so dass der Strom durch die Spule eingestellt wird, bis die Eingangswerte zum Differenzverstärker 30 übereinstimmen.
Es sei nun eine analoge Ausführung der Eingangsschnittstelle 52 betrachtet, wie sie in 5B dargestellt ist. Die Eingangsschnittstelle 52 empfängt als Eingang 30 einen Analogeingang oder einen PWM-Eingang, der von der PWM-Form durch einen Integrator 110 in analoge Form umgewandelt ist. Der analoge Eingang reicht von GND bis VDD. Die Eingangsschnittstelle 52 enthält einen Differenzverstärker 112 mit einem ersten Eingang 114, welcher an den Ausgang des Integrators 110 angeschlossen ist, einen zweiten Eingang 116 und einen Ausgang 70. Der Differenzverstärker 112 hat eine Rückkopplungsschleife 118 zwischen dem Ausgang 70 und dem Eingang 114, welche ein Element veränderlichen Widerstandes (oder ein Potentiometer oder einen R-2R-Leiter-D/A-Umformer) 120 zur Einstellung des Verstärkungsgewinns enthält. Ein Verstärkungswert wird durch Einstellung des Wertes des Elementes 120 eingestellt. Der Verstärkungswert wird so bestimmt, dass er die Differenz zwischen den Kalibrierungswerten ist. Der Eingang 116 enthält ein Element veränderlichen Widerstandes (oder ein Potentiometer oder einen R-2R-Leiter D/A-Umformer) 122 zur Einstellung der Bezugsspannung so, dass sie dem Versatz gleich ist. Der Versatz kann durch Ändern des Wertes des Elements 122 vergrößert oder verkleinert werden. Der Verstärker 112 mit der Schaltungsanordnung zur Verstärkungseinstellung und Versatzeinstellung ist mit der Bezugszahl 124 bezeichnet. Bei dieser Ausführungsform werden die Kalibrierungswertleitungen 68a, 68b, welche an die Elemente 122 angekoppelt sind, dazu verwendet, die Eingangsspannungen von dem Bezug zu GND bis VDD auf den Bezug des Ausganges 34 des magnetischen Sensor 22 an der Heimposition und der Position des vollen Bewegungsweges zu bemaßstaben. Das bedeutet, die Verstärkung und der Versatz werden so eingestellt, dass das Steuersignal mit den Kalibrierungswerten übereinstimmt.
Es kann wünschenswert sein, den Verstärkungsgewinn erst bei dem vollen Bewegungsweg einzustellen und dann den Versatz bei Heimposition oder Ausgangsposition, da der Versatz leicht durch die Verstärkungsgradeinstellung beeinflusst werden kann. Wenn beispielsweise der Heimpositionsversatz von null verschieden ist, dann ändert eine Änderung des Verstärkungsgewinns auch den Wert des Heimpositionsversatzes und resultiert in einer gewissen Fehlergröße.
Andere Ausführungen der Eingangsschnittstelle sind ebenfalls möglich. Wie in 5C gezeigt ist, kann für einen analogen Eingang oder einen von der PWM-Form in analoge Form umgesetzten analogen Eingang die Eingangsschnittstelle 52 einen Analog-/Digital-Umformer (A/D) 130 enthalten, gefolgt von einem D/A-Umformer 132. Der A/D-Umformer 130 dient zur Bemaßstabung des Einganges in einem A/D-Eingangsbereich, der durch die Kalibrierungswerte definiert ist, und der D/A-Umformer 132 wandelt einen digitalen Ausgang 134 des A/D-Umformers 130 wieder in den analogen Bereich zurück. Die Kalibrierungswerte 68a, 68b werden zu dem A/D-Umformer 130 zur Verwendung als A/D-Bezüge 136a (+Ref) bzw. 136b (–Ref) geliefert. Die Bezugswerte 136a, 136b definieren den maximalen Eingangsbereich der Werte (in Volt), den der A/D-Umformer 130 umformen kann. Der Bezugseingang 136a definiert den maximalen Eingangswert, wenn sämtliche Ausgangsbits des A/D-Umformers Einsen sind und der Bezugseingang 136b definiert den minimalen Eingang, wenn sämtliche Ausgangsbits des A/D-Umformers Nullen sind. Für einen n-Bit-A/D-Umformer ist der Eingangsbereich in 2ⁿ Werte oder Spannungsschritte unterteilt (beispielsweise 256 Werte für einen 8-Bit-A/D-Umformer). Die Größe des Spannungsschrittes ist durch den Eingangsbereich, dividiert durch die Anzahl der Spannungsschritte, gegeben. Wenn das 8-Bit-Gerät einen Eingangsbereich aufweist, welcher durch ein +Ref von 5 V und ein –Ref von 0 V definiert ist, dann ist die Größe des Spannungsschrittes somit 5 V/256, oder 19,5 mV. Eine Änderung der Bezugswerte auf ein +Ref von 2 V und ein –Ref von 1 V ergibt eine Schrittgröße von 1 V/256 oder 3,9 mV. Der Wert, welcher von dem A/D-Umformer nach der Umformung abgelesen wird, ist: (Vin/Vref) × (2ⁿ – 1), worin Vin die Eingangsspannung ist und Vref gleich (+Ref – –Ref). Man kann somit sagen, dass Vin durch 1/Vref bemaßstabt wird. Irgendeine andere Art einer A/D-Umformerarchitektur, beispielsweise Flasharchitektur, sukzessive Näherung, Sigma-Delta-Architektur, kann verwendet werden.
Während der Eichung überstreicht der Ausgang des A/D-Umformers 130, welcher als Ausgang 134 bezeichnet ist, die Werte von einer ersten Zählung entsprechend der Heimposition der Bewegungseinrichtung (–Ref-Wert 136b) bis zu einer letzen Zählung entsprechend der Position der Bewegungseinrichtung über den vollen Bewegungsweg (+Ref-Wert 136a). Nimmt man beispielsweise ein 8-Bit-System an, dann wäre der erste Zählung '00000000' und der letzte Zählwert wäre '11111111'. Aus diesem Grunde hat der A/D-Umformer 130 eine digitale Kompensation für den charakteristischen Bewegungsweg für eine bestimmte Bewegungseinrichtung vorgenommen. Der D/A-Umformer 132 wird dann dazu verwendet, den digitalen A/D-Umformerausgang 134 zurück in ein analoges Signal zu ändern, nämlich den Ausgang 70 mit einem vollen dynamischen Bereich von Erdpotential bis VDD. Die D/A-Umformerbezugswerte, welche als +Ref 138a und –Ref 138b bezeichnet sind, sind daher an VDD bzw. an Erde gelegt.
Die 6A und 6B zeigen alternative Ausführungsformen der Schnittstelle 26. In diesen alternativen Ausführungsformen geschieht die Kalibrierungseinstellung in dem Sensorausgangsweg (und nicht in dem Eingangsweg, wie in den 3, 5A, 5B und 5C gezeigt) zwischen dem Ausgang 34 des Sensors 22 und dem Differenzverstärker 50. Bei diesen Ausführungsformen wird der Eingang 30 an den Kalibrierungssteuerblock 62 geliefert, welcher den Eingang 30 als Eingangssignal 54 an den Differenzverstärker 50 während des Normalbetriebes liefert und ein intern erzeugtes Signal als Eingang 54 während der Selbstkalibrierung liefert.
Es sei auf 6A Bezug genommen. Zwischen den Sensor 22 und den Differenzverstärker 50 ist die Sensorausgangswegs-Schaltungsanordnung 140 (oder Sensorausgangsschnittstelle) geschaltet, welche als ein Verstärker mit einer Schaltungsanordnung 140 zur Verstärkungsgewinneinstellung und Versatzeinstellung dargestellt ist. Der Verstärker mit der Schaltungsanordnung 140 zur Verstärkungsgewinneinstellung und Versatzeinstellung gleicht dem Verstärker mit der Schaltungsanordnung 124 zur Verstärkungsgewinneinstellung und Versatzeinstellung gemäß 5B. Er unterscheidet sich von der Schaltung 124 dadurch, dass er als Eingang den Sensorausgang 34 empfängt und einen bemaßstabten Sensorausgangswert 142 (als seinen Ausgang) an den Verstärker 50 liefert. Innere Komponenten und Konfigurationen sind dieselben, wie sie in 5B dargestellt sind.
Es sei auf 6B Bezug genommen. Die Schnittstelle 26 enthält die Sensorausgangswegs-Schaltungsanordnung (oder Sensorausgangsschnittstelle), welche als die gegeneinander geschalteten A/D-Umformer 150 und D/A-Umformer 152 dargestellt ist. Der A/D-Umformer 150 empfängt den analogen Sensorausgang 34 als Eingang. Während einer Kalibrierung wird dieser Ausgang 34 an den Kalibrierungssteuerblock 62 geliefert. Wenn der Ausgang 34 ein Maß für die Heimposition oder Bewegungsausgangsposition ist, wird er erfasst und an den A/D-Umformer 150 zur Verwendung als A/D-Umformerbezug 136b (–Ref) über die Kalibrierungswertleitung 68b geliefert. Wenn der Ausgang 34 ein Maß für die Position des vollen Bewegungsweges ist, wird er erfasst und an den A/D-Umformer 150 zur Verwendung als A/D-Bezug 136a (+Ref) über die Kalibrierungswertleitung 68a geliefert. Wenn nach der Kalibrierung der A/D-Umformer 150 den Sensorausgang 34 als einen analogen Eingangswert (beispielsweise eine analoge Spannung) annimmt, wandelt er ihn in einen bemaßstabten Digitalwert 154 um. Die Bezüge oder Referenzwerte 136a, 136b definieren den maximalen Eingangsbereich von Werten (in Volt), welche der A/D-Umformer umwandeln kann. Die Bezüge für den A/D-Umformer 150 sind daher so eingestellt, dass sie mit dem Bewegungsbereich übereinstimmen, der durch den Sensorausgang 34 definiert ist. Der D/A-Umformer 152 dient zur Änderung des digitalen Ausganges 154 des A/D-Umformers zurück in ein Analogsignal, nämlich den D/A-Umformerausgang 156 mit einem vollen dynamischen Bereich von Erdpotential bis VDD.
In den Ausführungsformen, welche in den 6A und 6B gezeigt sind, ist angenommen, dass der Eingang 30 ein Analogsignal ist, welches im Bezug von GND bis VDD reicht. Der Eingang 30 könnte anstelle hiervon auch als ein PWM-Signal geliefert werden (mit einem Integrator zur Umsetzung des PWM-Signales in ein Analogsignal, wie in den 5B und 5C gezeigt ist) oder könnte als ein Digitaleingang geliefert werden (entsprechend dem, was in 5A gezeigt ist). Wenn ein digitaler Eingang verwendet wird, müsste der digitale Eingang in einen analogen Eingang durch einen D/A-Umformer umgewandelt werden. Alternativ, und hier sei auf 6B Bezug genommen, könnte der D/A-Umformer 152 in dem Sensorausgangsweg weggelassen werden und der Differenzverstärker 50 wäre dann durch einen Digitalvergleicher zu ersetzen.
Die Einstellung von +Ref und –Ref gemäß 5A, 5C oder 6A, oder alternativ, die Einstellungen von Verstärkungsgewinn und Versatz gemäß 5B und 6B werden aufrechterhalten, bis der nächste Kalibrierungsvorgang (Neukalibrierung) durchgeführt wird und neue Kalibrierungswerte unter Steuerung des Kalibrierungssteuerblockes 62 gewonnen werden.
Was mit den zuvor diskutierten Merkmalen erreicht wird, ist ein Regelsystem mit geschlossener Schleife, welches die individuellen Start- und Stopppositionen einer bestimmten Bewegungseinrichtung kompensiert. Das System muss sich nicht mit den individuellen Bewegungsbereichen der Bewegungseinrichtungen befassen. Ein anderer Benutzer bzw. eine andere Anwendung und eine andere Steuerung kann dieselbe Bewegungssteuereinrichtung verwenden, um eine andere Bewegungseinrichtung mit einem unterschiedlichen Bereich des Weges zu steuern. Die Bewegungssteuereinrichtung 14 beseitigt somit die Notwendigkeit von auf Vermutung beruhenden Maßnahmen aus einem Steueraspekt und gestattet es Benutzern, Konstruktionen mit sehr kleinen und in ihrem Verhalten nicht vorhersehbaren Betätigungsmotoren zu verwirklichen. Mit dem Selbstkalibrierungsmerkmal kann daher ein Benutzer der Bewegungssteuereinrichtung 14 eine verbesserte Genauigkeit mit einem System erreichen, das ein nichtideales Ansprechverhalten hat.
Es sei bemerkt, dass die magnetischen Kreise des Magneten und des Magnetfeldsensors in einer Bedingung resultieren können, bei welcher der Sensorausgang 34 entweder in der Heimposition oder bei der Position des vollen Bewegungsweges der Bewegungseinrichtung gesättigt ist. Zur Eichung muss die Bewegungssteuereinrichtung 14in dem magnetisch linearen Betriebsbereich der Sensorschaltungsanordnung arbeiten. Dies kann durch Änderung des magnetischen Signals oder durch Einstellung des Verstärkungsgewinns und des Versatzes der Schaltungsanordnung des Magnetfeldsensors erreicht werden. Die Schaltungsanordnung zur Einstellung des Verstärkungsgewinns und des Versatzes entsprechend der Darstellung in den 5B und 6A kann in dem Sensorverstärker dazu verwendet werden, den Verstärkungsgewinn und den Versatz einzustellen und daher einen Betrieb im linearen Bereich zu ermöglichen. Vor der Betätigung der Bewegungseinrichtung aus der Ausgangsstellung oder Heimstellung heraus kann eine Versatzeinstellung dazu dienen, den Sensorausgang 34 dazu zu veranlassen, eine bekannte Spannung zu überschreiten, die nicht im Sättigungsbereich des inneren Verstärkers des Sensors liegt. Nachdem der Versatz eingestellt ist, kann die Erfassung des Wertes der Position für den Bewegungswegausgang oder den Start des Bewegungsweges erfolgen. Wenn der Spulenstrom auf den vollen Wert gebracht wird und der Motor zu der Bewegungsweg-Endposition getrieben wird, kann eine Verstärkungsgewinneinstellung dazu dienen, den Verstärkungsgewinn so einzustellen, dass der Sensorausgang 34 unter eine bestimmte Spannung fällt, die nicht in dem Sättigungsbereich des inneren Verstärkers des Sensors liegt. Der Wert der Position am Wegende kann gewonnen werden, nachdem die Verstärkungsgewinneinstellung stattgefunden hat. Andere Techniken, insbesondere der Konstruktion des magnetischen Schließungskreises, können ebenfalls verwendet werden.
Wie oben ausgeführt kann eine Neukalibrierung nach einer gewissen verstrichenen Zeit oder in Abhängigkeit von einer Auslösung in Lauf gesetzt werden (beispielsweise Einschaltung der Leitung, ein Kalibrierungsbefehl oder ein Kalibrierungssignal, usw.). Eine neue Kalibrierung kann notwendig sein, da Kalibrierungsfehler sowie Veränderungen, beispielsweise Änderungen über die Zeit aufgrund von Temperatur und/oder mechanischer Bewegung, welche das magnetische Signal in der Heimposition beeinflussen können und das Gerät außer Eichung bringen können, auftreten können. Andere Techniken können ebenfalls hilfreich sein. Beispielsweise kann es wünschenswert sein, den Beginn des Bewegungsweges zu „puffern”, indem ein Weg von x% (worin x ein Wert größer als Null ist) bis 100% des Eingangsanforderungsbereiches angestrebt wird. Es sei wieder der Fall eines 8-Bit-Digital-Einganges betrachtet. Für einen 8-Bit-Digital-Eingang würde ein angestrebter Bewegungsweg von beispielsweise 10%–100% des 8-Bit-Befehlswortes in einem Bewegungsweg für die Befehlscodes 25 bis 255 resultieren. Der Bereich von 0–10% der Eingangsbefehlscodes würde als ein Puffer sowohl für einen Kalibrierungsfehler als auch für Veränderungen in der Heimposition dienen, welche nach der Kalibrierung angetroffen werden, jedoch bevor eine Neukalibrierung geschehen kann. Wenn große Änderungen über die Zeit auftreten oder wenn der volle Bewegungsweg nicht erreicht werden kann, da der höchste Eingangsbefehlscode oder -wert unter dem vollen Bewegungsweg bleibt (wie dies der Fall wäre, wenn eine Pufferung verwendet würde), dann kann eine Neukalibrierung erforderlich sein, um für die betreffende Anwendung den Bewegungsweg zu optimieren.
7A zeigt eine beispielsweise Ausführungsform des Spulentreibers 24, welche besonders gut geeignet für Linearmotorantriebe und -steuerungen für kleine Linearmotoren ist, beispielsweise als Vibrationsmotoren, Verschlussauslöser, Polarisationsfilter, Sprachsteuerungseinrichtung, um einige wenige Beispiele anzugeben. In dieser Ausführungsform wird der Spulentreiber 24 so ausgeführt, dass er eine H-Brückenschaltung 160 enthält. Auch ist ein Verstärker 162 und ein Fühlerwiderstand 164 in der Schaltung enthalten. Der Verstärker 162 empfängt an seinem nichtinvertierenden Eingang das Ausgangssignal 36, welches durch den Differenzverstärker 50 (von 3) erzeugt wird. Das invertierende Eingangssignal, welches als Eingangssignal 166 dargestellt ist, ist an die H-Brückenschaltung 160 angekoppelt und verbindet über den Fühlerwiderstand 164 mit Erde. Diese Art eines Spulentreibers, welcher als H-Brückenschaltungstreiber oder Vollbrückentreiber bezeichnet wird, sorgt für Stromfluss in zwei Richtungen und ermöglicht es daher einem Linearmotor in Vorwärtsrichtung und Rückwärtsrichtung zu laufen. Der Treiberstromausgang 28 (von 1) ist hier so dargestellt, dass er einen ersten Ausgang 28a enthält, welcher Verbindung zu einem Ende einer äußeren Spule (Spule 20 von 1) hat, und einen zweite Ausgang 28b enthält, welcher Verbindung zu dem anderen Ende der äußeren Spule hat. In der dargestellten Ausführungsform ist die H-Brückenschaltung 160 mit vier Festkörperschaltern (S1, S2, S3, S4 in der Zeichnung bezeichnet) aufgebaut. Wenn die Schalter S1 und S4 geschlossen sind (und S2 und S3 geöffnet sind) fließt Strom durch die Spule 20 in der einen Richtung. Ein Öffnen der Schalter S1 und S4 und ein Schließen der Schalter S2 und S3 bewirkt, dass der Storm durch die Spule 20 in der Gegenrichtung fließt.
7B zeigt eine beispielsweise Ausführungsform des Spulentreibers 24, der verwendet werden kann, um einen Motor, beispielsweise einen VCM-Motor zu treiben. Bei dieser Ausführungsform ist der Spulentreiber 24 als niederpotentialseitiger Stimmspulentreiber verwirklicht. Der Spulentreiber 24 enthält ein MOSFET 170 (zusätzlich zu den Komponenten 162 und 164) als Ausgangstreiber. Diese Art eines Spulentreibers liefert nur einen Stromfluss in einer Richtung. Der Spulentreiber-Stromausgang, welcher als Ausgang 28b bezeichnet ist, hat Verbindung zu der Niederpotentialseite einer äußeren Spule (Spule 20 von 1). Die Hochpotentialseite der äußeren Spule wäre an eine äußere Leistungsquelle, beispielsweise an eine Batterie anzuschließen.
Die Einrichtung 14 (1) mit der Kalibrierungsunterstützung und anderen Merkmalen der Schnittstelle 26, wie sie oben beschrieben wurde, kann in einer Vielfalt von anderen Anwendungen eingesetzt werden, beispielsweise in Anwendungen, welche Stimmspulenmotoren einsetzen. Ein Beispiel, wie es in 8 gezeigt ist, ist ein Kammerlinsen-Fokussierungsmodul (oder „Modul”) 180, das in einem Mobiltelefon mit Kamera verwendet werden kann, auch bekannt als Kamerafon. Stimmspulenmotoren werden zweckmäßig als Betätigungsmittel in Anwendungen mit begrenzter Bewegung und hoher Frequenz der Betätigung eingesetzt, beispielsweise der Anwendung der Linsenantriebseinrichtung des Moduls 180, sowie anderen Präzisionsinstrumentanwendungen.
Das Modul 180 enthält eine Steuereinrichtung 182, welche einen Linsenfokussierungsvorgang 184 ausführt und Steuersignale an andere Blöcke des Moduls liefert. Die Steuereinrichtung 182 kann den Gesamtbetrieb des Kamerafons steuern und somit zwischen Telefonfunktion und Kamerafunktion umschalten, oder die Steuereinrichtung 182 kann dem Kamerabetriebsmodus gewidmet sein (mit einer gesonderten Steuereinrichtung zu Handhabung des Telefonbetriebsmodus). Die Steuereinrichtung 182 ist mit der Einrichtung 14 verbunden, welche einen VCM-Motor 186 treibt. Wie früher unter Bezugnahme auf 1 dargelegt, kann die Einrichtung 14 als eine integrierte Halbleiterschaltung aufgebaut sein, wobei der Spulentreiber und der Magnetfeldsensor auf einem einzigen Substrat zusammengefasst sind. Der Spulentreiber kann wie der Spulentreiber 24 von 7B für den Betrieb in einer Richtung ausgebildet sein.
Der VCM-Motor 186 steuert die lineare Bewegung einer Linse 188 einer optischen Anordnung 190 zur Einstellung des Linsenfokus. Der Spulentreiber 24 der Einrichtung 14 steuert den VCM-Motor 186. Das Modul 180 enthält auch einen Bildsensor 192, einen Signalprozessor (SP) 194 und einen Formatspeicher oder Datensatzspeicher 196. Der Betrieb dieses Moduls sei nun beschrieben.
Es sei angenommen, dass die Steuereinrichtung 182 in den Kamerabetrieb geschaltet hat oder sich im Kamerabetriebsmodus befindet, der Bildsensor 192 aktiviert ist und die Steuereinrichtung 182 ein Steuersignal (Zeitgebersignal) über Steuerleitungen 198 an den Bildsensor 192 sendet, um einen Bildaufnahmeprozess zu starten. Ein von der Linse 188 auf den Bildsensor 192 projiziertes Bild wird abgetastet und dem Signalprozessor hinzugeführt. Die Steuereinrichtung 182 aktiviert den Signalprozessor 194, um mit dem Autofokussierungsvorgang zu beginnen. Der Signalprozessor 194 führt die Tastung, Verstärkung und A/D-Umwandlung an einem Bildsignalausgang von dem Bildsensor 192 durch und gibt die digitalen Bildsignaldaten aus. Der Bildformatspeicher 196 speichert zeitweise die digitalen Bilddaten, welche der Reihe nach von dem Signalprozessor 194 abgegeben werden. Der Signalprozessor 194 bestimmt einen Kontrastwert des Bildes entsprechend den in dem Bildformatspeicher 196 gespeicherten Bilddaten. Jedes Mal, wenn ein Bild durch den Bildsensor 192 erfasst wird und dieses Bild in dem Bildformatspeicher 196 gespeichert wird, liest der Signalprozessor 194 die Bilddaten ab und errechnet den Kontrastwert.
Die Steuereinrichtung 182 gibt ein Steuersignal 30 an die Linearbewegungssteuereinrichtung 14 ab, um mit der Fokusseinstellung zu beginnen. Der Treiberteil der Einrichtung 14 erzeugt das Treibersignal 28 gemäß dem Eingangssignal 30 von der Steuereinrichtung und dem Rückkopplungssignal 34 von dem Magnetfeldsensor 22. Die Linsenpositionseinstellung durch den VCM-Motor 186 resultiert in einer Änderung der Bildschärfe. Der Signalprozessor 194 bestimmt den Kontrastwert der Bilddaten, welche der Reihe nach durch den Bildsensor 192 erfasst werden und vergleicht die Werte zwischen den erfassten Bildern vor und nach der Linsenbewegung. Der Signalprozessor 194 stellt fest, dass das Bild mit der besten Schärfe erreicht ist, wenn der Kontrastwert, welcher ein Scheitelwert ist, detektiert wird und sendet ein Detektierungssignal an die Steuereinrichtung 182. Die Steuereinrichtung 182 sendet das entsprechende Steuersignal (an die Einrichtung 14) zur Bewegung der Linse 188 zurück zu der Position, an welcher der Scheitelwert des Kontrastwertes ist, d. h., an die präzise Position zur Erreichung der besten Schärfe zur Vervollständigung der Fokussierungseinstellung. Zwar ist der Signalprozessor 194 in der Weise beschrieben, dass er einen Kontrastwert bestimmt, doch können durch den Signalprozessor 194 auch andere Parameter errechnet werden, welche eine Anzeige für eine optimale Fokussierungsposition sind.
Herstellungstoleranzen sowie die Linsenorientierung (relativ zur Richtung des Gravitationszuges und angreifenden Belastungen, wie einer Beschleunigung, usw.) gestatten nicht eine zuverlässige Linsenbewegung in Abhängigkeit von dem der Spule zugeführten Strom. Die durch die Einrichtung 14 verwendete Selbstkalibrierung gestattet es dem Steuersystem, dass es präzise auf ein bestimmtes Linsenfokussierungsmodul geeicht wird. Die Selbstkalibrierung kalibriert die Linearbewegungssteuerung auf das individuelle Linsenfokussierungsmodul zur präzisen Fokussierung unabhängig von Herstellungsveränderungen der Anordnung, und linearisiert die Nichtlinearitäten der Betätigungsübertragungsfunktion im Kamerafokussierungsmodul.
Die Selbstkalibrierung minimiert auch die Fokussierungszeit und erhöht die Fokussierungsgenauigkeit, was letztlich die Steuerung des Motors in der Anwendung beschleunigt. Da beispielsweise im Falle des Autofokussierungsmoduls der Sensor eine Kompensation bezüglich der Veränderungen in den Positionen und im Bewegungswegbereich des Motors vorgenommen hat, muss der Mikrocontroller keine Zeit dafür vergeuden, dass er versucht, die Motoren in Bereiche zu führen, über welche hin sie sich nicht bewegen. Der Mikrocontroller weiß, dass, sobald ein Bewegungsbefehl gegeben wird, der Motor sich bewegt. Diese Zeiteinsparung vermindert die Gesamtzeit zur Aufnahme eines Bildes, was ein deutlicher Vorteil ist.
Sämtliche hier angezogenen Schriften seien durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hier eingeführt.
Nach Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung ist es für die Fachleute offenbar, dass andere Ausführungsformen, welche die Konzepte der beschriebenen Ausführungsformen beinhalten, verwendet werden können. Beispielsweise können die Bewegungssteuereinrichtung 14 und die Bewegungseinrichtung 16 so ausgeführt werden, dass sie anstelle des Sensors 22 andere Arten von Sensoren verwenden, beispielsweise optische oder kapazitive Sensoren. Es ist daher davon auszugehen, dass solche Ausführungsformen nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt sind, sondern nur durch den Umfang der anliegenden Ansprüche definiert sind.
Zusammenfassung
Selbstkalibrierungsalgorithmen in einem Kleinmotor-Treiber IC mit integriertem Positionssensor
Es wird eine Bewegungssteuereinrichtung zur Steuerung eines Motors vorgeschlagen. Die Bewegungssteuereinrichtung ist zur Bemaßstabung oder Einstellung eines Eingangs relativ zu einem Eingangsbereich, welcher auf Kalibrierungswerten basiert, und zur Verwendung des bemaßstabten Eingangs zur Erzeugung eines Treibersignals zum Antrieb des Motors verwendbar. Die Bewegungssteuereinrichtung führt eine Selbstkalibrierung durch, um die Kalibrierungswerte zu erzeugen. Die Selbstkalibrierung beinhaltet die Messung der Positionswerte für die Bewegungsausgangsposition oder Heimposition und die Position des vollen Bewegungsweges für den Motor.

Claims

Einrichtung zur Steuerung eines Motors, welche folgendes umfasst: einen Treiber und einen Sensor; eine erste Schaltungsanordnung, welche mit dem Treiber und dem Sensor gekoppelt ist, um den Treiber und den Sensor zur Erzeugung von Kalibrierungsinformation für den Motor zu steuern; eine zweite Schaltungsanordnung, welche mit der ersten Schaltungsanordnung gekoppelt ist, um einen Eingang relativ zu einem Eingangsbereich einzustellen, der auf der Kalibrierungsinformation basiert; und wobei der eingestellte Eingang zur Erzeugung eines Treibersignals zum Antrieb des Motors dient.
Einrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Kalibrierungsinformation einen ersten Kalibrierungswert entsprechend einem Bewegungsausgangs-Positionswert, welcher durch den Sensor abgegeben wird, wenn der Treiber keinen Strom zu dem Motor liefert, und einen zweiten Kalibrierungswert entsprechend einem Bewegungswegend-Positionswert umfasst, welcher von dem Sensor abgegeben wird, wenn der Treiber an den Motor einen Strom liefert, der die Erzeugung einer maximalen Positionsänderung ermöglicht.
Einrichtung nach Anspruch 2, bei welcher die zweite Schaltungsanordnung eine Eingangsschnittstelle zum Empfang einer Eingangsanforderung als Eingang enthält und die erste Schaltungsanordnung einen Kalibrierungssteuerblock enthält, welcher die ersten und zweiten Kalibrierungswerte an die Eingangsschnittstelle liefert.
Einrichtung nach Anspruch 3, bei welcher die Eingangsanforderung einen Digitalwert umfasst und bei welcher die Eingangsschnittstelle einen Digital-/Analogumformer (D/A) enthält, welcher einen ersten Bezugsanschluss zum Empfang des ersten Kalibrierungswertes als ersten Bezug und einen zweiten Bezugsanschluss zum Empfang des zweiten Kalibrierungswertes als zweiten Bezug aufweist, wobei der erste und der zweite Bezug den Eingangsanforderungsbereich definieren.
Einrichtung nach Anspruch 3, bei welcher die Eingangsanforderung ein Analogsignal enthält und bei welcher die Eingangsschnittstelle einen Operationsverstärker enthält, der einen Verstärkerschaltungsteil aufweist, der so einstellbar ist, dass ein Verstärkungswert auf der Basis des ersten und des zweiten Kalibrierungswertes eingestellt wird, und der einen Versatzschaltungsteil aufweist, der so einstellbar ist, dass ein Versatzwert gleich dem ersten Kalibrierungswert einstellbar ist, wobei der Verstärkungswert und der Versatzwert den Eingangsanforderungsbereich definieren.
Einrichtung nach Anspruch 3, bei welcher die Eingangsanforderung ein impulsbreitenmoduliertes Signal enthält und wobei die Eingangsschnittstelle weiter einen Integrator enthält, um das impulsbreitenmodulierte Signal in ein Analogsignal zu übersetzen.
Einrichtung nach Anspruch 2, bei welcher die zweite Schaltungsanordnung Schaltungsteile zum Empfang eines Ausganges von dem Sensor als Eingang enthält und die erste Schaltungsanordnung einen Kalibrierungssteuerblock enthält, der die ersten und zweiten Kalibrierungswerte an die Schaltungsanordnung liefert.
Einrichtung nach Anspruch 7, bei welcher die Schaltungsanordnung einen Operationsverstärker enthält, welcher Verstärkungsschaltungsteile aufweist, die so einstellbar sind, dass ein Verstärkungswert auf der Basis des ersten und des zweiten Kalibrierungswertes eingestellt wird, und Versatz-Schaltungsteile aufweist, die so einstellbar sind, dass ein Versatzwert gleich dem ersten Kalibrierungswert einstellbar ist, wobei der Verstärkungswert und der Versatzwert den Eingangsanforderungsbereich definieren.
Einrichtung nach Anspruch 7, bei welcher die Schaltungsanordnung einen Analog-/Digital-Umformer (A/D) enthält, der einen ersten Bezugsanschluss zum Empfang des ersten Kalibrierungswertes als ersten Bezug und einen zweiten Bezugsanschluss zum Empfang des zweiten Kalibrierungswertes als zweiten Bezug aufweist, wobei der erste und der zweite Bezug den Eingangsanforderungsbereich definieren.
Einrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der Treiber einen Stimmspulentreiber enthält und der Sensor einen Magnetfeldsensor enthält.
Einrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Kalibrierungsinformation erzeugt wird, wenn die erste Schaltungsanordnung einen Leistungseinschaltzyklus detektiert.
System, welches folgendes umfasst: eine Steuereinrichtung; und eine Bewegungssteuereinrichtung, welche mit der Steuereinrichtung und einem Stimmspulenmotor (VCM) gekoppelt ist und folgendes umfasst: einen Stimmspulentreiber und einen Magnetfeldsensor; eine erste Schaltungsanordnung, welche mit dem Stimmspulentreiber und dem Magnetfeldsensor gekoppelt ist, um den Stimmspulentreiber und den Magnetfeldsensor zur Erzeugung von Kalibrierungsinformation für den Stimmspulenmotor zu steuern; eine zweite Schaltungsanordnung, welche mit der ersten Schaltungsanordnung gekoppelt ist, um einen Eingang relativ zu einem Eingangsbereich einzustellen, der auf der Kalibrierungsinformation basiert; und wobei der eingestellte Eingang zur Erzeugung eines Treibersignals zum Antrieb des Stimmspulenmotors verwendet wird.
System nach Anspruch 12, bei welchem die Kalibrierungsinformation einen ersten Kalibrierungswert entsprechend einem Bewegungsausgangs-Positionswert, der von dem Magnetfeldsensor abgegeben wird, wenn der Stimmspulentreiber keinen Strom an den Stimmspulenmotor liefert, und einen zweiten Kalibrierungswert entsprechend einem Bewegungswegend-Positionswert umfasst, der von dem Magnetfeldsensor abgegeben wird, wenn der Stimmspulentreiber an den Stimmspulenmotor einen Strom liefert, welcher die Erzeugung einer maximalen Positionsänderung ermöglicht.
System nach Anspruch 13, bei welchem die zweite Schaltungsanordnung eine Eingangsschnittstelle enthält, um eine Eingangsanforderung als Eingang zu empfangen und die erste Schaltungsanordnung einen Kalbrierungssteuerblock enthält, der den ersten und den zweiten Kalibrierungswert an die Eingangsschnittstelle liefert.
System nach Anspruch 14, bei welchem die Eingangsanforderung einen Digitalwert enthält und bei welchem die Eingangsschnittstelle einen Digital-/Analogumformer (D/A) enthält, der einen ersten Bezugsanschluss zum Empfang des ersten Kalibrierungswertes als ersten Bezug und einen zweiten Bezugsanschluss zum Empfang des zweiten Kalibrierungswertes als zweiten Bezug aufweist, wobei der erste und der zweite Bezug den Eingangsbereich definieren.
System nach Anspruch 14, bei welchem die Eingangsanforderung ein Analogsignal enthält und bei welchem die Eingangsschnittstelle einen Operationsverstärker mit einem Verstärkungs-Schaltungsteil, der zur Einstellung eines Verstärkungswertes auf der Basis des ersten und zweiten Kalibrierungswertes einstellbar ist, sowie einen Versatz-Schaltungsteil aufweist, der zur Einstellung eines Versatzwertes gleich dem ersten Kalibrierungswert einstellbar ist, wobei die Verstärkungs- und Versatzwerte den Eingangsbereich definieren.
System nach Anspruch 12, bei welchem die Steuereinrichtung so aufgebaut ist, dass sie die Bewegungssteuereinrichtung zur Fokussierung der Linse einer Kamera verwendet.
System nach Anspruch 12, bei welchem der Stimmspulentreiber, der Magnetsensor, die erste Schaltungsanordnung und die zweite Schaltungsanordnung als eine integrierte Halbleiterschaltung zusammengefasst sind.
System nach Anspruch 18, bei welchem die integrierte Halbleiterschaltung und die Steuereinrichtung sich an einem Kameralinsen-Fokussierungsmodul befinden.
Verfahren zur Steuerung eines Motors, welches folgendes umfasst: Steuern eines Treibers und eines Sensors zur Erfassung von Kalibrierungsinformation für den Motor; Einstellen eines Eingangs relativ zu einem Eingangsbereich, der auf der Kalibrierungsinformation basiert; und Verwenden des eingestellten Einganges zur Erzeugung eines Treibersignales zum Antrieb des Motors.
Verfahren nach Anspruch 20, bei welchem die Kalibrierungsinformation einen ersten Kalibrierungswert und einen zweiten Kalibrierungswert umfasst und bei welchem das Steuern folgendes umfasst: Steuern des Sensor zum Messen eines Bewegungsausgangspositionswertes als ersten Kalibrierungswert, wenn der Treiber keinen Strom an den Motor liefert; und Steuern des Sensors zum Messen eines Bewegungswegendpositionswertes als zweiten Kalibrierungswert, welcher erzeugt wird, wenn der Treiber an den Motor einen Strom liefert, der die Erzeugung einer maximalen Positionsänderung ermöglicht.