DE112017004395T5

DE112017004395T5 - Motorantriebsteuervorrichtung und Motorantriebsteuerverfahren

Info

Publication number: DE112017004395T5
Application number: DE112017004395.6T
Authority: DE
Inventors: Hidetoshi HIJIKATA
Original assignee: MinebeaMitsumi Inc
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2016-09-01
Filing date: 2017-08-09
Publication date: 2019-05-16
Also published as: JP6603638B2; WO2018043077A1; JP2018038213A; US10790768B2; US20190190415A1

Abstract

Exakte Steuerung der Drehanhalteposition eines Motors.Die Motorsteuervorrichtung (100) weist eine BEMF-Feststellungskomponente (118), die einen Nulldurchgang einer Gegen-EMK von an einem Motor vorgesehenen Motorspulen detektiert, und eine CPU (101) auf, die einen Antrieb des Motors mittels eines 1-Phasen-Erregungsverfahrens und positionssensorlos steuert, basierend auf dem durch die BEMF-Feststellungskomponente (118) detektierten Nulldurchgang der Gegen-EMK eine Kommutierung und mittels einer einer Antriebsspannung und einer Last abhängigen Drehgeschwindigkeit eine Antriebssteuerung des Motors, und beim Anhalten des Antriebs des Motors ab einem berechneten Verlangsamungsbeginnschritt bis zum Sinken auf oder unter eine bestimmte Drehgeschwindigkeit, bei der ein Anhalten an einer gewünschten Position möglich ist, eine Verlängerungssteuerung einer Kommutierungszeit pro Schritt durchführt.

Description

[Gebiet der Erfindung]
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Motorantriebsteuervorrichtung und ein Motorantriebsteuerverfahren, die sich zur Steuerung der Drehanhalteposition eines Motors eignen.
[Technischer Hintergrund]
Herkömmlich dreht sich, wenn bei einem Schrittmotor mit einer 1-Phasen-Erregung und mit einer Kommutierung ausgelöst durch einen Nulldurchgang einer Gegen-EMK ein positionssensorloser Antrieb erfolgt, der Motor abhängig von der Antriebsspannung und der Last mit einem Laststrom und einer Drehgeschwindigkeit. Wird dieser Antrieb des Motors unterbrochen, entsteht durch die Trägheit des Motors ein Nachlauf, sodass sich die Positionspräzision verschlechtert.
Werden zum Anhalten des Motors sämtliche Schaltelemente (FET) der Antriebsschaltung (H-Brückenschaltung) ausgeschaltet, wird beobachtet, dass die Gegen-EMK sich zyklisch ändert und sich der Motor durch die Trägheit dreht.
Bei einem Haltestromabfallssteuerverfahren, bei dem eine Steuerung erfolgt, bei der gleichzeitig mit dem Anhalten des Motors der Haltestrom durch eine 2-Phasen-Erregung hoch einstellt wird, allmählich der Strom dann reduziert und im Stabilitätspunkt der 2-Phasen-Erregung angehalten wird, ist eine Sicherstellung der Positionspräzision zwar möglich, wenn bei einer niedrigen Drehgeschwindigkeit des Motors die Trägheit gering ist, wenn jedoch bei einer hohen Drehgeschwindigkeit des Motors die Trägheit groß ist, kann beobachtet werden, dass sich während der Steuerung der Strom zyklisch ändert und sich der Motor aufgrund der Trägheit dreht.
Entstand daher während der vorstehenden Haltestromabfallssteuerung ein übermäßiger Strom, ist das Sicherstellen einer Positionspräzision zwar dadurch besser als durch die Haltestromabfallssteuerung möglich, dass mit einer schnellen Abfallssteuerung (Fast Decay), bei der eine Spannung in Gegenrichtung angelegt wird, für den Verbrauch des Stroms gesorgt wird, bei einer den ersten Quadranten des Stromwinkels überschreitenden Motorträgheit kann jedoch die Positionspräzision nicht sichergestellt werden.
In dem Patentdokument 1 ist z. B. ein Steuerverfahren eines Schrittmotors offenbart, das auch bei einer schnellen Drehgeschwindigkeit die Anhalteposition des Rotors exakt steuern kann.
[Dokumente des Standes der Technik]
[Patentdokument]
[Patentdokument 1] JP 2005-229743 A
[Beschreibung]
[Aufgabe der Erfindung]
Bei dem Steuerverfahren des Patentdokuments 1 handelt es sich um eine offene Steuerung einer 1-Phasen-Erregung, wobei die Drehgeschwindigkeit direkt vor dem Anhalten festgelegt ist, auch wenn sie beliebig ist. Bei der offenen Steuerung einer 1-Phasen-Erregung ergibt sich keine der Last entsprechende optimale Drehgeschwindigkeit, wobei ferner die Zeit, zu der die Schwingungen des Motors durch die Last abklingen, schwankt. Da bei einem positionssensorlosen Antrieb die Drehgeschwindigkeit direkt vor dem Anhalten aufgrund der Antriebsspannung oder der Last nicht stabil ist, besteht für den Fall, dass durch einen Schritt direkt vor dem Anhalten die Haltezeit verlängert wird die Gefahr, dass die exakte Steuerung der Anhalteposition schwierig wird, einschließlich des Entstehens eines Nachlaufs aufgrund der Trägheit. Das heißt, je nach Drehzustand ist dies für eine Steuerung auf eine gewünschte Anhalteposition innerhalb kurzer Zeit nicht ausreichend.
Die vorliegende Erfindung macht sich daher im Hinblick auf die Motorantriebsteuervorrichtung und das Motorantriebsteuerverfahren eine exakte Steuerung der Drehanhalteposition des Motors in kurzer Zeit zur Aufgabe.
[Mittel zum Lösen der Aufgabe]
Um die vorstehende Aufgabe zu lösen, weist die Motorantriebsteuervorrichtung der vorliegenden Erfindung ein Nulldurchgangsdetektormittel, das einen Nulldurchgang einer Gegen-EMK von an einem Motor vorgesehenen Motorspulen detektiert, und ein Steuermittel auf, das einen Antrieb des Motors mittels eines 1-Phasen-Erregungsverfahrens und positionssensorlos steuert, basierend auf dem durch das Nulldurchgangsdetektormittel detektierten Nulldurchgang der Gegen-EMK eine Kommutierung und mittels einer von einer Antriebsspannung und einer Last abhängigen Drehgeschwindigkeit die Antriebssteuerung des Motors, und bei einem Anhalten des Antriebs des Motors ab einem berechneten Verlangsamungsbeginnschritt bis zum Sinken auf oder unter eine bestimmte Drehgeschwindigkeit, bei der ein Anhalten an einer gewünschten Position möglich ist, eine Verlängerungssteuerung einer Kommutierungszeit pro Schritt durchführt.
Sonstige Mittel werden im Zuge der Formen zur Ausführung der vorliegenden Erfindung erläutert.
[Wirkungen der Erfindung]
Erfindungsgemäß wird im Hinblick auf die Motorantriebsteuervorrichtung und das Motorantriebsteuerverfahren eine exakte Steuerung der Drehanhalteposition des Motors in kurzer Zeit ermöglicht.
Figurenliste

1 ist ein Blockbild eines gesamten Motorsteuersystems einer vorliegenden Ausführungsform und eines Vergleichsbeispiels.
2 ist ein detailliertes Blockbild einer Motorantriebssteuervorrichtung der vorliegenden Ausführungsform und des Vergleichsbeispiels.
3 ist eine erste erläuternde Ansicht eines Operationsmodus einer H-Brückenschaltung.
4 ist eine zweite erläuternde Ansicht des Operationsmodus der H-Brückenschaltung.
5 ist ein Wellenformdiagramm, das Strom/Spannung einer X-Phase und einer Y-Phase der H-Brückenschaltung des Vergleichsbeispiels erläutert.
6 ist ein Wellenformdiagramm, das eine Kommutierungsreihenfolge der H-Brückenschaltung des Vergleichsbeispiels erläutert.
7 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Verarbeitung eines ersten Quadranten der X-Phase bei dem Vergleichsbeispiel erläutert.
8 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Verarbeitung eines zweiten Quadranten der X-Phase bei dem Vergleichsbeispiel erläutert.
9 ist ein Wellenformdiagramm, das Strom/Spannung der X-Phase und der Y-Phase der H-Brückenschaltung bei der vorliegenden Ausführungsform erläutert.
10 ist ein Wellenformdiagramm, das die Kommutierungsreihenfolge der H-Brückenschaltung bei der vorliegenden Ausführungsform erläutert.
11 ist ein Ablaufdiagramm, das die Verarbeitung des ersten Quadranten der X-Phase bei der vorliegenden Ausführungsform erläutert.
12 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Verarbeitung eines bestromungsseitigen PWM-Zyklus bei der vorliegenden Ausführungsform erläutert.
13 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Verarbeitung des PWM-Zyklus einer Gegenseite (Nichtbestromungsseite) bei der vorliegenden Ausführungsform erläutert.
14 ist eine Grafik, die ein erstes Verlangsamungsbeispiel bei der vorliegenden Ausführungsform erläutert.
15 ist eine Grafik, die ein zweites Verlangsamungsbeispiel bei der vorliegenden Ausführungsform erläutert.

[Formen zur Ausführung der vorliegenden Erfindung]
Im Folgenden werden Formen zur Ausführung der vorliegenden Erfindung anhand der jeweiligen Figuren näher erläutert.
1 ist ein Blockbild eines gesamten Motorsteuersystems einer vorliegenden Ausführungsform und eines Vergleichsbeispiels.
In 1 handelt es sich bei einem Schrittmotor 120 um einen bipolaren 2-Phasen-Schrittmotor, der einen frei drehend vorgesehenen Rotor 126, der einen Dauermagneten aufweist, und an Viertelpositionen in Umfangsrichtung der Umgebung des Rotors 126 vorgesehene Statoren aufweist. Die Statoren bestehen aus Statoren 122XP, 122XN einer X-Phase und Statoren 122YP, 122YN einer Y-Phase. Um die Statoren sind jeweils Wicklungen gewickelt. Die um die Statoren 122YP, 122YN gewickelten Wicklungen sind in Reihe geschaltet und die beiden Wicklungen werden zusammengefasst als „Statorwicklungen 124Y“ bezeichnet. In gleicher Weise sind die um die Statoren 122XP, 122XN gewickelten Wicklungen in Reihe geschaltet und die beiden Wicklungen werden zusammengefasst als „Statorwicklungen 124X“ bezeichnet. Die Statorwicklungen 124Y, 124X sind Beispiele für Motorspulen.
Eine Host-Vorrichtung 130 gibt ein Geschwindigkeitsanweisungssignal zur Anweisung der Drehgeschwindigkeit des Schrittmotors 120 aus. Eine Motorsteuervorrichtung 100 steuert den Antrieb des Schrittmotors 120 aufgrund des Geschwindigkeitsanweisungssignals. In der Motorsteuervorrichtung 100 sind aus an den Statorenwicklungen angeschlossenen Halbbrücken zusammengesetzte H-Brückenschaltungen 20X, 20Y vorgesehen, die an die jeweiligen Statorwicklungen 124x, 124Y eine X-Phasenspannung VMX, Y-Phasenspannung VMY anlegen.
Die H-Brückenschaltung 20X wird über einen Anschlusspunkt Mout0 an der Wicklung (Beispiel einer Motorspule) des Stators 122XN der X-Phase angeschlossen, und ferner über einen Anschlusspunkt Mout1 an der Wicklung (Beispiel einer Motorspule) des Stators 122XP der X-Phase angeschossen. Ein Spulenstrom IMout1-0 ist der Strom, der von dem Anschlusspunkt Mout1 zu dem Anschlusspunkt Mout0 fließt.
Die H-Brückenschaltung 20Y ist über einen Anschlusspunkt Mout2 an der Wicklung (Beispiel einer Motorspule) des Stators 122YP der Y-Phase angeschlossen, und ferner über einen Anschlusspunkt Mout3 an der Wicklung (Beispiel einer Motorspule) des Stators 122YN der Y-Phase angeschossen. Ein Spulenstrom IMout3-2 ist der Strom, der von dem Anschlusspunkt Mout3 zu dem Anschlusspunkt Mout2 fließt.
(Motorsteuervorrichtung 100)
Als Nächstes werden basierend auf 2 die Details der Motorsteuervorrichtung 100 erläutert. In 1 ist ein 2er System von Statorwicklungen 124X, 124Y und ein 2er System von H-Brückenschaltungen 20X, 20Y dargestellt, während diese in 2 zusammengefasst als ein Einzelsystem einer Statorwicklung 124 und ein Einzelsystem einer H-Brückenschaltung 20 dargestellt sind.
Eine im Inneren der Motorsteuervorrichtung 100 vorgesehene CPU (Central Processing Unit) 101 (Beispiel eines Steuermittels) steuert aufgrund eines in einem ROM (Read Only Memory) 103 gespeicherten Steuerprogramms über einen Bus 106 die jeweiligen Komponenten. Ein RAM (Random Access Memory) 102 wird als Arbeitsspeicher der CPU 101 verwendet. Ein Zeitgeber (timer) 104 misst mittels der Steuerung der CPU 101 die von einem bestimmten Zeitpunkt ab verlaufende Zeit. Ein I/O-Port (I/O Port) 105 gibt zwischen der in 1 dargestellten Host-Vorrichtung 130 sowie anderen externen Vorrichtungen und sich selbst Signale ein und aus. Eine Brückensteuerkomponente 107 steuert basierend auf einer Anweisung von der CPU 101 die jeweiligen Komponenten einer Brückensteuerschaltung 110.
Die Brückensteuerschaltung 110 ist dabei als einteiliger integrierter Schaltkreis aufgebaut. In dessen Innerem erzeugt ein PWM(Pulse Width Modulation)-Signalgenerator 113 basierend auf der Steuerung durch die Brückensteuerkomponente 107 ein PWM-Signal und führt dies der H-Brückenschaltung 20 zu. Die H-Brückenschaltung 20 umfasst FET (Field-Effect Transistor) 2, 4, 6, 8 und FET 15, 17. In der Figur ist der Anschluss der unteren Seite der FET der Source-Anschluss und der Anschluss der oberen Seite der Drain-Anschluss. Bei dem PWM-Signal handelt es sich um ein als Gatespannung an die FET angelegtes Ein(ON)/Aus(OFF)-Signal.
Die FET 2, 4 sind in Reihe geschaltet, an dieser Reihenschaltung sind eine Gleichstromquelle 140 und eine Erdleitung 142 angeschlossen, und eine bestimmte Spannung MVdd wird angelegt. Auf gleicher Weise sind auch die FET 6, 8 in Reihe geschaltet, und an dieser Reihenschaltung wird die Spannung MVdd angelegt. Dioden 12, 14, 16, 18 sind parasitäre Dioden für den Rückstrom und zu den FET 2, 4, 6, 8 parallel angeschlossen. Die FET 15, 17 sind für die Stromfeststellung vorgesehen, und bilden jeweils mit den FET 4, 8 zusammen Stromspiegelschaltungen. Dadurch fließt ein zu dem in den FET 4, 8 fließenden Strom proportionaler Strom jeweils in den FET 15, 17.
Die Spannung VMout0 am Anschlusspunkt Mout0 der FET 2, 4 wird an ein Ende einer Statorwicklung 124 des Motors angelegt. Ferner wird die Spannung VMout1 am Anschlusspunkt Mout1 der FET 6, 8 an das andere Ende der Statorwicklung 124 angelegt. Infolgedessen wird an die Statorwicklung 124 als Differenz der beiden eine Motorspannung VM angelegt. Bei der Motorspannung VM handelt es sich faktisch um die in 1 dargestellte X-Phasenspannung VMX und Y-Phasenspannung VMY.
Eine Stromfeststellungskomponente 116 (Beispiel eines Stromdetektormittels) detektiert den in den Statorwicklungen fließenden Motorstrom. Konkret gibt die Stromfeststellungskomponente 116 durch eine Messung des in den FET 15, 17 fließenden Stromwerts abhängig von der Stromrichtung einen Strommesswert Icoil des in der Statorwicklung 124 fließenden Stroms aus. Ein D/A-Wandler 115 empfängt von der Brückensteuerkomponente 107 den digitalen Wert eines Stromreferenzwerts Iref und wandelt diesen in einen analogen Wert um. Ein Vergleicher 114 vergleicht den Strommesswert Icoil des analogen Werts mit dem Stromreferenzwert Iref, wobei dieser ein „1“-Signal ausgibt, wenn der Erste größer oder gleich dem Letzteren wird, und anderenfalls ein „0“-Signal ausgibt.
Ferner werden die Spannungen VMout0, VMout1 auch einer BEMF(Gegen-EMK)-Feststellungskomponente 118 (Beispiel eines Nulldurchgangdetektormittels) zugeführt. Die BEMF-Feststellungskomponente 118 detektiert den Nulldurchgang der Gegen-EMK der Statorwicklungen 124Y, 124X, die an den Statoren des Schrittmotors 120 vorgesehen sind. Das heißt, die BEMF-Feststellungskomponente 118 gibt für den Fall, dass es sich bei der Motorspannung VM um die Gegen-EMK handelt, während der Periode, in der von der H-Brückenschaltung 20 keine Spannung angelegt wird, abhängig von der Umschaltung der Spannungsrichtung (Nulldurchgang) einen Flag ZC aus.
Die CPU 101 steuert den Antrieb des Schrittmotors 120 mittels eines 1-Phasen-Erregungsverfahrens und positionssensorlos, führt basierend auf dem Nulldurchgang der durch die BEMF-Feststellungskomponente 118 detektierten Gegen-EMK eine Kommutierung sowie mittels einer von der Antriebsspannung und der Last abhängigen Drehgeschwindigkeit die Antriebssteuerung des Schrittmotors 120 durch, und führt, wie später ausgeführt, wenn der Antrieb des Schrittmotors 120 unterbrochen wird, ab einem berechneten Verlangsamungsbeginnschritt bis zum Absinken auf oder unter eine bestimmte Drehgeschwindigkeit, bei der ein Anhalten an der gewünschten Position möglich ist, pro Schritt eine Verlängerungssteuerung der Kommutierungszeit durch.
(Operationsmodus der H-Brückenschaltung 20)
3(a) bis 3(d) und 4(e), 4(f) sind erläuternde Ansichten der Operationsmodi der H-Brückenschaltung. Anhand dieser erläuternden Ansichten werden die Operationsmodi der H-Brückenschaltung 20 erläutert.
3(a) zeigt den Fall, wenn zwei sich schräg gegenüberliegende FET eingeschaltet (ON) werden, und der Absolutwert des in den Statorwicklungen 124 fließenden Motorstroms allmählich erhöht wird. Bei dem in 3(a) gezeigten Beispiel sind die FET 4, 6 eingeschaltet und die FET 2, 8 sind ausgeschaltet (OFF). In 3(a) ist die Zunahme des Absolutwerts des Motorstroms mit schwarzen Pfeilen dargestellt. In diesem Zustand fließt der Motorstrom über FET 6 → Statorwicklung 124 → FET 4 in die gestrichelt dargestellte Richtung, während der betreffende Motorstrom zunimmt. Dieser Operationsmodus wird als Lademodus bezeichnet.
Aus dem Zustand in 3(a) wird ferner bei einem langsamen Abfall des Stroms, wie in 3(b) gezeigt, FET 6 ausgeschaltet. FET 4 behält den eingeschalteten Zustand bei und FET 2, 8 behalten den ausgeschalteten Zustand bei. Dadurch fließt der Strom, wie die gestrichelte Linie zeigt, in einer Schleife durch den FET4, die Diode 18 (parasitäre Diode des FETs 8) und die Statorwicklung 124. Dieser Strom wird durch die Impedanz des FETs 4, der Diode 18 (parasitäre Diode des FETs 8) und der Statorwicklung 124 allmählich abgesenkt, wobei die Abfallgeschwindigkeit langsam ist. Dieser Operationsmodus wird als asynchroner langsamer Abfallmodus bezeichnet. In 3(b) ist der Abfall des Motorstroms mit schwarzumrandeten Pfeilen dargestellt.
Als Variante des langsamen Abfallmodus kann, wie in 3(c) gezeigt, außerdem auch der FET 8 eingeschaltet werden. Dadurch fließt der Motorstrom, wie die gestrichelte Linie zeigt, in einer Schleife durch die FET 4, 8 und die Statorwicklung 124. Dieser Strom wird durch die Impedanz der FET 4, 8 und der Statorwicklung 124 allmählich abgesenkt, wobei die Abfallgeschwindigkeit noch langsamer ist. Dieser Operationsmodus wird als synchroner langsamer Abfallmodus bezeichnet. In 3(c) ist der Abfall des Motorstroms mit schwarzumrandeten Pfeilen dargestellt.
Selbst wenn die Gatespannung eines FETs ausgeschaltet wird, bleibt der FET durch die parasitäre Kapazitanz des betreffenden FETs für eine Weile eingeschaltet. Wird daher z. B. aus dem Zustand eines eingeschalteten FETs 4 und eines ausgeschalteten FETs 2 in kurzer Zeit umgeschaltet in einen Zustand eines ausgeschalteten FETs 4 und eines eingeschalteten FETs 2, gelangen momentan die in Reihe geschalteten FET 2, 4 in einen eingeschalteten Zustand, es kommt zu einem Kurzschluss zwischen der Spannung MVdd und dem Erdungspotential und die FET 2, 4 werden zerstört. Um eine solche Situation zu verhindern, wird bei der H-Brückenschaltung 20 ein in 3(d) gezeigter Durchgangsschutzmodus eingerichtet.
In 3(d) handelt es sich um einen Durchgangsschutzmodus mit Zustand von ausgeschalteten FET 2, 4, 6, 8. Wird von dem Lademodus in 3(a) in den Durchgangsschutzmodus in 3(d) umgeschaltet, entsteht in der Statorwicklung 124 eine Gegen-EMK. Daher fließt ein Motorstrom über die Diode 18 → Statorwicklung 124 → Diode 12 (parasitäre Diode des FETs 2) in die gestrichelt dargestellte Richtung.
Im Durchgangsschutzmodus in 3(d) entsteht ein dem Spannungsabfall in der Durchlassrichtung der Dioden 12, 18 entsprechender Verlust an elektrischer Leistung, sodass die Abfallgeschwindigkeit des Motorstroms maximal groß wird.
Wird dann der FET 2 eingeschaltet, kommt es zu einem Wechsel in einen in 4(e) gezeigten Rücklaufmodus. Der Rücklaufmodus ist ein Modus, in dem der Motorstrom über Diode 18 → Statorwicklung 124 → FET 2 in die gestrichelt dargestellte Richtung fließt. Im Rücklaufmodus wird die Abfallgeschwindigkeit des Motorstroms etwas langsamer als im Durchgangsschutzmodus.
Wird der FET 2 ausgeschaltet, nachdem die im Rücklaufmodus in den Statorwicklungen 124 aufgeladene Energie insgesamt emittiert wurde, erfolgt ein Wechsel zu einem in 4(f) dargestellten Gegen-EMK/Frei-Modus.
Der Gegen-EMK-Modus ist ein Modus, in dem die FET 2, 4, 6, 8 ausgeschaltet sind, der Strom nicht mehr in die H-Brückenschaltung 20 fließt, und eine Gegen-EMK entsteht. Der Frei-Modus ist ein Modus, in dem die FET 2, 4, 6, 8 ausgeschaltet sind, der Strom nicht mehr in die H-Brückenschaltung 20 fließt, und außerdem nach dem Nulldurchgang der Gegen-EMK erfolgt.
Bei einem 1-Phasen-Erregungsantrieb des 2-Phasen-Schrittmotors erfolgt, wie in der später angegebenen 6, eine Kommutierung in der Reihenfolge X(+)-Phase → Y(+)-Phase → X(-)-Phase → Y(-)-Phase, somit wird ein Übergang der Reihe nach von dem ersten Quadranten bis zum vierten Quadranten durchgeführt, und eine Bestromung der Spule erfolgt pro Phase. Wird der Schrittmotor 120 in Gegenrichtung gedreht, erfolgt die Kommutierung in der Reihenfolge X(+)-Phase → Y(-)-Phase → X(-)-Phase → Y(+)-Phase.
In einem normalen Zustand mit einem Spulenstrom innerhalb des Maximalstroms wechselt die H-Brückenschaltung 20 in der Reihenfolge Lademodus → Durchgangsschutzmodus → Rücklaufmodus → Frei-Modus.
Die CPU 101 führt als Operationsmodus bei einer Strombegrenzung der H-Brückenschaltung 20 eine Steuerung durch, bei der ein Lademodus und ein langsamer Abfallmodus wiederholt werden. Ferner führt die CPU 101 als Operationsmodus bei einer Strombegrenzung der H-Brückenschaltung 20 nach dem Wiederholen des Lademodus und des langsamen Abfallmodus pro PWM-Zyklus der Reihe nach einen Durchgangsschutzmodus, einen Rücklaufmodus und einen Frei-Modus durch.
Das heißt, bei einer Strombegrenzung wechselt die H-Brückenschaltung 20 nach einer Wiederholung des Lademodus und des langsamen Abfallmodus pro PWM-Zyklus in der Reihenfolge auf den Durchgangsschutzmodus → Rücklaufmodus → Frei-Modus. Durch die Verwendung des langsamen Abfallmodus wird die Abfall des Stroms geringer als durch den schnellen Abfallmodus. Daher werden die Drehantriebskraft und die Haltekraft des Motors aufrechterhalten, und die Welligkeiten des Stroms aufgrund der Wiederholung des Lademodus und des langsamen Abfallmodus nehmen ab.
Im Hinblick auf den langsamen Abfallmodus sind Fälle möglich, wenn nur mittels eines asynchronen langsamen Abfallmodus reagiert wird und wenn nach dem asynchronen langsamen Abfallmodus in einen synchronen langsamen Abfallmodus übergegangen wird.
Im Hinblick auf den Rücklaufmodus sind Fälle möglich, wenn eine Rücklaufspannung über die parasitäre Diode an das Netzteil rekuperiert wird (Durchgangsschutzmodus) und wenn diese durch Einschalten des FETs der oberen Seite (High-Side) dieses Pfads an das Netzteil rekuperiert wird (Rücklaufmodus).
5 ist ein Wellenformdiagramm, das Strom/Spannung der X-Phase und der Y-Phase der H-Brückenschaltung 20 des Vergleichsbeispiels erläutert. 6 ist ein Wellenformdiagramm, das die Kommutierungsreihenfolge der H-Brückenschaltung 20 des Vergleichsbeispiels erläutert. Im Folgenden wird anhand von 5 und 6 die Operation der jeweiligen Quadranten erläutert.
«Erster Quadrant: Zeitpunkt t10»
Zum Zeitpunkt t10 des ersten Quadranten geht die H-Brückenschaltung 20X der X-Phase in den Lademodus über und die H-Brückenschaltung 20Y der Y-Phase geht in den Rücklaufmodus über. Wie in 6 gezeigt, befindet sich der Schrittmotor 120 in der X(+)-Phase und die Spannung VMout1 wird zu der Spannung MVdd.
Wie in 5 gezeigt, schaltet bei der H-Brückenschaltung 20X der X-Phase im Lademodus die Spannung VMout1 auf die Spannung MVdd und die Spannung VMout0 auf GND (Erdung) um. An die Statorwicklung 124X der X-Phase wird die Spannung MVdd angelegt und der Spulenstrom IMout1-0 der X-Phase nimmt allmählich zu.
Überschreittet der Absolutwert des Spulenstroms IMoutl-0 der X-Phase den vorgegebenen Maximalstrom, schaltet die H-Brückenschaltung 20X pro PWM-Zyklus von dem Lademodus in den langsamen Abfallmodus um und hält dadurch den Absolutwert des Spulenstroms IMout1-0 unterhalb des Maximalstroms.
In der H-Brückenschaltung 20Y der Y-Phase entsteht ein Rücklaufimpuls (Rücklauf), der in Gegenrichtung der Spannung entsteht, die in dem vierten Quadranten unmittelbar zuvor angelegt wurde. Die H-Brückenschaltung 20Y geht in den Frei-Modus über, wenn die Rücklaufspannung abfällt und zudem der Spulenstrom IMout3-2 gleich 0 wird. Zum Zeitpunkt t11 geht die H-Brückenschaltung 20Y in den Frei-Modus über.
Im Frei-Modus tritt in der H-Brückenschaltung 20Y der Y-Phase eine Gegen-EMK in Gegenrichtung des Rücklaufs auf. Die CPU 101 führt eine Kommutierung ausgelöst durch den Nulldurchgang der Gegen-EMK durch und geht zum nächsten zweiten Quadranten über. Die Entstehungszeit des Rücklaufs und die Gegen-EMK ändern sich durch die Antriebsspannung des Motors, die Antriebslast des Motors und die Drehgeschwindigkeit.
Der Durchgangsschutzmodus ist falls erforderlich zwischen den jeweiligen Modi eingeschoben, damit die oberen und unteren FET der Halbbrücke nicht gleichzeitig eingeschaltet werden. Dadurch kann ein Durchgangsstrom verhindert werden.
«Zweiter Quadrant: Zeitpunkt t14»
Zum Zeitpunkt t14 des zweiten Quadranten geht die H-Brückenschaltung 20X der X-Phase in den Rücklaufmodus über und die H-Brückenschaltung 20Y der Y-Phase geht in den Lademodus über. Wie in 6 gezeigt, befindet sich der Schrittmotor 120 in der Y(+)-Phase und die Spannung VMout3 wird zu der Spannung MVdd.
Wie in 5 gezeigt, entsteht in der H-Brückenschaltung 20X der X-Phase ein Rücklaufimpuls (Rücklauf), der in Gegenrichtung der Spannung entsteht, die in dem ersten Quadranten unmittelbar zuvor angelegt wurde. Die H-Brückenschaltung 20X geht in den Frei-Modus über, wenn die Rücklaufspannung abfällt und zudem der Spulenstrom IMout1-0 gleich 0 wird. Zum Zeitpunkt t15 geht die H-Brückenschaltung 20X in den Frei-Modus über.
Im Frei-Modus tritt in der H-Brückenschaltung 20X der X-Phase eine Gegen-EMK in Gegenrichtung des Rücklaufs auf. Die CPU 101 führt eine Kommutierung ausgelöst durch den Nulldurchgang der Gegen-EMK durch und geht zum nächsten dritten Quadranten über. Die Entstehungszeit des Rücklaufs und die Gegen-EMK ändern sich durch die Antriebsspannung des Motors, die Antriebslast des Motors und die Drehgeschwindigkeit.
Der Durchgangsschutzmodus ist falls erforderlich zwischen den jeweiligen Modi eingeschoben, damit die oberen und unteren FET der Halbbrücke nicht gleichzeitig eingeschaltet werden. Dadurch kann ein Durchgangsstrom verhindert werden.
Bei der H-Brückenschaltung 20Y der Y-Phase schaltet im Lademodus die Spannung VMout3 auf die Spannung MVdd und die Spannung VMout2 auf GND um. An die Statorwicklung 124Y der Y-Phase wird die Spannung MVdd angelegt und der Spulenstrom IMout3-2 der Y-Phase nimmt allmählich zu.
Überschreittet der Absolutwert des Spulenstroms IMout3-2 der Y-Phase den vorgegebenen Maximalstrom, schaltet die H-Brückenschaltung 20Y pro PWM-Zyklus von dem Lademodus in den langsamen Abfallmodus um und hält dadurch den Absolutwert des Spulenstroms IMout3-2 unterhalb des Maximalstroms.
«Dritter Quadrant: Zeitpunkt t18»
Zum Zeitpunkt t18 des dritten Quadranten geht die H-Brückenschaltung 20X der X-Phase in den Lademodus über, bei dem der Spulenstrom IMout1-0 in entgegengesetzter Richtung zu dem ersten Quadranten fließt. Die H-Brückenschaltung 20Y der Y-Phase geht in den Rücklaufmodus über, bei dem der Spulenstrom IMout3-2 in entgegengesetzter Richtung zu dem ersten Quadranten fließt. Wie in 6 gezeigt, befindet sich der Schrittmotor 120 in der X(-)-Phase und die Spannung VMout0 wird zu der Spannung MVdd.
Wie in 5 gezeigt, schaltet bei der H-Brückenschaltung 20X der X-Phase die Spannung VMout1 auf GND und die Spannung VMout0 auf die Spannung MVdd um. An die Statorwicklung 124X der X-Phase wird eine Spannung in entgegengesetzter Richtung zu dem ersten Quadranten angelegt und der Spulenstrom IMout1-0 der X-Phase nimmt in entgegengesetzter Richtung zu dem ersten Quadranten allmählich zu.
In der H-Brückenschaltung 20Y der Y-Phase entsteht ein Rücklaufimpuls (Rücklauf), der in Gegenrichtung der Spannung entsteht, die in dem zweiten Quadranten unmittelbar zuvor angelegt wurde. Die H-Brückenschaltung 20Y geht in den Frei-Modus über, wenn die Rücklaufspannung abfällt und zudem der Spulenstrom IMout3-2 gleich 0 wird. Zum Zeitpunkt t19 geht die H-Brückenschaltung 20Y in den Frei-Modus über.
Im Frei-Modus tritt in der H-Brückenschaltung 20Y der Y-Phase eine Gegen-EMK in Gegenrichtung des Rücklaufs auf. Die CPU 101 führt eine Kommutierung ausgelöst durch den Nulldurchgang der Gegen-EMK durch und geht zum nächsten vierten Quadranten über. Die Entstehungszeit des Rücklaufs und die Gegen-EMK ändern sich durch die Antriebsspannung des Motors, die Antriebslast des Motors und die Drehgeschwindigkeit.
Die Operation des dritten Quadranten ist abgesehen von der Richtung, in die der Strom fließt, identisch mit dem ersten Quadranten.
«Vierter Quadrant: Zeitpunkt t22»
Zum Zeitpunkt t22 des vierten Quadranten geht die H-Brückenschaltung 20X der X-Phase in den Rücklaufmodus über. Die H-Brückenschaltung 20Y der Y-Phase geht in den Lademodus über. Wie in 6 gezeigt, befindet sich der Schrittmotor 120 in der Y(-)-Phase und die Spannung VMout2 wird zu der Spannung MVdd.
Wie in 5 gezeigt, entsteht in der H-Brückenschaltung 20X der X-Phase ein Rücklaufimpuls (Rücklauf), der in Gegenrichtung der Spannung entsteht, die in dem dritten Quadranten unmittelbar zuvor angelegt wurde. Die H-Brückenschaltung 20X geht in den Frei-Modus über, wenn die Rücklaufspannung abfällt und zudem der Spulenstrom IMout1-0 gleich 0 wird. Zum Zeitpunkt t23 geht die H-Brückenschaltung 20X in den Frei-Modus über.
Im Frei-Modus tritt in der H-Brückenschaltung 20X der X-Phase eine Gegen-EMK in Gegenrichtung des Rücklaufs auf. Die CPU 101 führt eine Kommutierung ausgelöst durch den Nulldurchgang der Gegen-EMK durch und geht zum nächsten dritten Quadranten über. Die Entstehungszeit des Rücklaufs und die Gegen-EMK ändern sich durch die Antriebsspannung des Motors, die Antriebslast des Motors und die Drehgeschwindigkeit.
Bei der H-Brückenschaltung 20Y der Y-Phase schaltet im Lademodus die Spannung VMout3 auf GND und die Spannung VMout2 auf Spannung MVdd um. An die Statorwicklung 124Y der Y-Phase wird eine Spannung MVdd in entgegengesetzter Richtung zu dem zweiten Quadranten angelegt und der Spulenstrom IMout3-2 der Y-Phase nimmt in entgegengesetzter Richtung zu dem zweiten Quadranten allmählich zu.
Die Operation des vierten Quadranten ist abgesehen von der Richtung, in die der Strom fließt, identisch mit dem zweiten Quadranten.
«Folgende Quadranten»
Die H-Brückenschaltungen 20X, 20Y werden unter Wiederholung der gleichen Operation der vorstehenden ersten bis vierten Quadranten betrieben.
7 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Verarbeitung des ersten Quadranten der X-Phase bei dem Vergleichsbeispiel erläutert.
In dem ersten Quadranten stellt die CPU 101 die maximale Tastung pro PWM-Zyklus ein und stellt einen Wert in einem Verzögerungszeitgeber ein (Verarbeitung S10), und die H-Brückenschaltung 20X der X-Phase geht in die Bestromungsperiode über. In der Bestromungsperiode geht die H-Brückenschaltung 20X der X-Phase in den Lademodus über.
Die CPU 101 schaltet den FET 2 der High-Side (HS) des Anschlusspunkts Mout1 ein und schaltet zudem den FET 8 der Low-Side (LS) des Anschlusspunkts Mout0 ein (Verarbeitung S11). Dann startet die CPU 101 den Bestromungszeitgeber (Verarbeitung S12).
Die CPU 101 beurteilt, ob die maximale Zeit bezüglich der Y-Phase abgelaufen ist oder nicht (Verarbeitung S13). Hat die CPU 101 beurteilt, dass die maximale Zeit bezüglich der Y-Phase nicht abgelaufen ist (Verarbeitung S13 → No), beurteilt diese den Nulldurchgang der Gegen-EMK der Y-Phase (Verarbeitung S14). Hat die CPU 101 beurteilt, dass kein Nulldurchgang der Gegen-EMK der Y-Phase vorliegt (Verarbeitung S14 → No), folgt eine Rückkehr zur Verarbeitung S13.
Hat die CPU 101 den Nulldurchgang der Gegen-EMK der Y-Phase beurteilt (Verarbeitung S14 → Yes), substrahiert diese den Verzögerungszeitgeber (Verarbeitung S15). Hat die CPU 101 beurteilt, dass der Verzögerungszeitgeber nicht gleich 0 geworden ist (Verarbeitung S16 → No), folgt eine Rückkehr zur Verarbeitung S13.
Sobald der Verzögerungszeitgeber gleich 0 geworden ist (Verarbeitung S16 → Yes), schaltet die CPU 101 den FET 2 der High-Side (HS) des Anschlusspunkts Mout1 und den FET 8 der Low-Side (LS) des Anschlusspunkts Mout0 aus und beendet die Bestromungsperiode (Verarbeitung S17).
Hat die CPU 101 ferner in der Verarbeitung S13 beurteilt, dass die maximale Zeit bezüglich der Y-Phase abgelaufen ist (Verarbeitung S13 → Yes), führt diese ungeachtet der Beurteilung des Nulldurchgangs der Gegen-EMK der Y-Phase und des Zählwerts des Verzögerungszeitgebers die Verarbeitung S17 durch und beendet die Bestromungsperiode.
Nach Beendigung der Bestromungsperiode beendet die CPU 101 den Bestromungszeitgeber, berechnet aufgrund des Werts des Bestromungszeitgebers die Geschwindigkeit (Verarbeitung S18) und beendet die Verarbeitung im ersten Quadranten der X-Phase.
Die Verarbeitung des zweiten Quadranten der Y-Phase ist identisch mit der Verarbeitung im ersten Quadranten der X-Phase. Die Verarbeitung im dritten Quadranten der X-Phase ist abgesehen davon, dass die Richtung der Spannung, die an die Statorwicklung 124X (vgl. 1) angelegt wird, verschieden ist, identisch mit der Verarbeitung im ersten Quadranten der X-Phase.
Die Verarbeitung im vierten Quadranten der Y-Phase ist abgesehen davon, dass die Richtung der Spannung, die an die Statorwicklung 124Y (vgl. 1) angelegt wird, verschieden ist, identisch mit der Verarbeitung im ersten Quadranten der X-Phase.
8 ist ein Ablaufdiagramm, das die Verarbeitung des zweiten Quadranten der X-Phase bei dem Vergleichsbeispiel erläutert.
Im zweiten Quadranten stellt die CPU 101 zuerst die maximale Zeit im Zeitgeber ein (Verarbeitung S30). Die H-Brückenschaltung 20X der X-Phase geht in die Rücklaufperiode über. In der Rücklaufperiode geht die H-Brückenschaltung 20X der X-Phase in den Rücklaufmodus über.
Die H-Brückenschaltung 20X geht, wenn in der Rücklaufperiode der Rücklaufmodus beendet ist (Verarbeitung S32 → No), in die Gegen-EMK-Periode über. In der Gegen-EMK-Periode geht die H-Brückenschaltung 20X der X-Phase in den Gegen-EMK-Modus über. Das Ende des Rücklaufmodus kann entweder durch das Abfallen der Rücklaufspannung, den Nulldurchgang der Rücklaufspannung oder den Nulldurchgang des Spulenstroms festgestellt werden.
Anschließend geht die H-Brückenschaltung 20X, wenn in der Gegen-EMK-Periode der Gegen-EMK-Modus beendet ist (Verarbeitung S33 → No), in die Frei-Periode über. In der Frei-Periode geht die H-Brückenschaltung 20X der X-Phase in den Frei-Modus über. Das Ende des Gegen-EMK-Modus kann durch den Nulldurchgang der Gegen-EMK festgestellt werden. Wenn die Gegen-EMK aufgrund einer Überlast 0 V nicht überschreitet, kann das Ende des Gegen-EMK-Modus durch den Ablauf einer Verlängerungszeit ab der Spitze der Gegen-EMK (etwa die doppelte Zeit der Zeit ab Beginn des Gegen-EMK-Modus bis zur Spitze usw.) und das nächste Ansteigen der Spitze der Gegen-EMK festgestellt werden.
Hat die CPU 101 in der Frei-Periode das Ende des zweiten Quadranten gemäß der X-Phase beurteilt (Verarbeitung S34 → Yes), beendet diese die Verarbeitung des zweiten Quadranten der X-Phase.
Sind die Bedingungen der Verarbeitungen S32, S33 erfüllt und ist die Bedingung der Verarbeitung S34 nicht erfüllt, kehrt die CPU 101 zu der Verarbeitung S31 zurück und beurteilt die Überschreitung der maximalen Zeit. Hat der Zeitgeber die maximale Zeit überschritten (Verarbeitung S31 → Yes), beendet die CPU 101 ungeachtet des Operationsmodus die Verarbeitung des zweiten Quadranten der X-Phase.
Die Verarbeitung des zweiten Quadranten der X-Phase ist identisch mit der Verarbeitung des dritten Quadranten der Y-Phase. Die Verarbeitung des vierten Quadranten der X-Phase ist abgesehen davon, dass die Richtung der Spannung im Nulldurchgang verschieden ist, identisch mit der Verarbeitung des zweiten Quadranten der X-Phase.
Die Verarbeitung des dritten Quadranten der Y-Phase ist abgesehen davon, dass die Richtung der Spannung im Nulldurchgang verschieden ist, identisch mit der Verarbeitung des ersten Quadranten der Y-Phase.
9 ist ein Wellenformdiagramm, das Strom/Spannung der X-Phase und der Y-Phase der H-Brückenschaltung 20 bei der vorliegenden Ausführungsform erläutert. 10 ist ein Wellenformdiagramm, das die Kommutierungsreihenfolge der H-Brückenschaltung 20 bei der vorliegenden Ausführungsform erläutert. Im Folgenden wird anhand von 9 und 10 die Operation der jeweiligen Quadranten erläutert.
«Erster Quadrant: Zeitpunkt t40»
Zum Zeitpunkt t40 des ersten Quadranten geht die H-Brückenschaltung 20X der X-Phase in den Lademodus über und die H-Brückenschaltung 20Y der Y-Phase geht in den Rücklaufmodus über. Wie in 10 gezeigt, befindet sich der Schrittmotor 120 in der X(+)-Phase und die Spannung VMout1 wird zu der Spannung MVdd.
Wie in 9 gezeigt, schaltet bei der H-Brückenschaltung 20X der X-Phase im Lademodus die Spannung VMout1 auf die Spannung MVdd und die Spannung VMout0 auf GND um. An die Statorwicklung 124X der X-Phase wird die Spannung MVdd angelegt und der Spulenstrom IMout1-0 der X-Phase nimmt allmählich zu.
Überschreittet der Absolutwert des Spulenstroms IMout1-0 der X-Phase den vorgegebenen Maximalstrom, schaltet die H-Brückenschaltung 20X pro PWM-Zyklus von dem Lademodus in den langsamen Abfallmodus um und hält dadurch den Absolutwert des Spulenstroms IMout1-0 unterhalb des Maximalstroms.
In der H-Brückenschaltung 20Y der Y-Phase entsteht ein Rücklaufimpuls (Rücklauf), der in Gegenrichtung der Spannung entsteht, die in dem vierten Quadranten unmittelbar zuvor angelegt wurde. Die H-Brückenschaltung 20Y geht in den Frei-Modus über, wenn die Rücklaufspannung abfällt und zudem der Spulenstrom IMout3-2 gleich 0 wird. Zum Zeitpunkt t41 geht die H-Brückenschaltung 20Y in den Frei-Modus über.
Im Frei-Modus tritt in der H-Brückenschaltung 20Y der Y-Phase eine Gegen-EMK in Gegenrichtung des Rücklaufs auf. Die CPU 101 führt eine Kommutierung ausgelöst durch den Nulldurchgang der Gegen-EMK durch und geht zum nächsten zweiten Quadranten über. Die Entstehungszeit des Rücklaufs und die Gegen-EMK ändern sich durch die Antriebsspannung des Motors, die Antriebslast des Motors und die Drehgeschwindigkeit.
Der Durchgangsschutzmodus ist falls erforderlich zwischen den jeweiligen Modi eingeschoben, damit die oberen und unteren FET der Halbbrücke nicht gleichzeitig eingeschaltet werden. Dadurch kann ein Durchgangsstrom verhindert werden.
«Zweiter Quadrant: Zeitpunkt t44»
Zum Zeitpunkt t44 des zweiten Quadranten geht die H-Brückenschaltung 20X der X-Phase in den Rücklaufmodus über und die H-Brückenschaltung 20Y der Y-Phase geht in den Lademodus über. Wie in 10 gezeigt, befindet sich der Schrittmotor 120 in der Y(+)-Phase und die Spannung VMout3 wird zu der Spannung MVdd.
Wie in 9 gezeigt, entsteht in der H-Brückenschaltung 20X der X-Phase ein Rücklaufimpuls (Rücklauf), der in Gegenrichtung der Spannung entsteht, die in dem ersten Quadranten unmittelbar zuvor angelegt wurde. Die H-Brückenschaltung 20X geht in den Frei-Modus über, wenn die Rücklaufspannung abfällt und zudem der Spulenstrom IMout1-0 gleich 0 wird. Zum Zeitpunkt t45 geht die H-Brückenschaltung 20X in den Frei-Modus über.
Im Frei-Modus tritt in der H-Brückenschaltung 20X der X-Phase eine Gegen-EMK in Gegenrichtung des Rücklaufs auf. Die CPU 101 führt eine Kommutierung ausgelöst durch den Nulldurchgang der Gegen-EMK durch und geht zum nächsten dritten Quadranten über. Die Entstehungszeit des Rücklaufs und die Gegen-EMK ändern sich durch die Antriebsspannung des Motors, die Antriebslast des Motors und die Drehgeschwindigkeit.
Der Durchgangsschutzmodus ist falls erforderlich zwischen den jeweiligen Modi eingeschoben, damit die oberen und unteren FET der Halbbrücke nicht gleichzeitig eingeschaltet werden. Dadurch kann ein Durchgangsstrom verhindert werden.
Bei der H-Brückenschaltung 20Y der Y-Phase schaltet im Lademodus die Spannung VMout3 auf die Spannung MVdd und die Spannung VMout2 auf GND um. An die Statorwicklung 124Y der Y-Phase wird die Spannung MVdd angelegt und der Spulenstrom IMout3-2 der Y-Phase nimmt allmählich zu.
Überschreittet der Absolutwert des Spulenstroms IMout3-2 der Y-Phase den vorgegebenen Maximalstrom, schaltet die H-Brückenschaltung 20Y pro PWM-Zyklus von dem Lademodus in den langsamen Abfallmodus um und hält dadurch den Absolutwert des Spulenstroms IMout3-2 unterhalb des Maximalstroms.
Im Folgenden handelt es sich ab dem Verlangsamungsbeginnschritt bis zum Verlangsamungsanhalteschritt um die Zeit während der Verlangsamungsanhaltesteuerung. Es handelt sich dabei um vier Verlangsamungsschritte. In dem Verlangsamungsanhalteschritt nimmt der Schrittmotor 120 die endgültige Anhaltegeschwindigkeit an. Der Verlangsamungsbeginnschritt wird aus der Anzahl von Antriebsschritten und der Anzahl von Verlangsamungsschritten berechnet.
«Dritter Quadrant: Zeitpunkt t48: Verlangsamungsbeginnschritt»
Zum Zeitpunkt t48 des dritten Quadranten geht die H-Brückenschaltung 20X der X-Phase in den Lademodus der entgegengesetzten Richtung zu dem ersten Quadranten über. Die H-Brückenschaltung 20Y der Y-Phase geht in den Rücklaufmodus über, bei dem der Spulenstrom IMout3-2 in entgegengesetzter Richtung zu dem ersten Quadranten fließt. Der dritte Quadrant ist der Schritt, in dem die Verlangsamung des Schrittmotors 120 beginnt. Wie in 10 gezeigt, befindet sich der Schrittmotor 120 in der X(-)-Phase und die Spannung VMout0 wird zu der Spannung MVdd.
Wie in 9 gezeigt, schaltet bei der H-Brückenschaltung 20X der X-Phase im Lademodus die Spannung VMout1 auf GND und die Spannung VMout0 auf die Spannung MVdd um. An die Statorwicklung 124X der X-Phase wird eine Spannung in entgegengesetzter Richtung zu dem ersten Quadranten angelegt und der Spulenstrom IMout1-0 der X-Phase nimmt in entgegengesetzter Richtung zu dem ersten Quadranten allmählich zu. Die Operation des dritten Quadranten ist abgesehen von der Richtung, in die der Strom fließt, identisch mit dem ersten Quadranten.
In der H-Brückenschaltung 20Y der Y-Phase entsteht ein Rücklaufimpuls (Rücklauf), der in Gegenrichtung der Spannung entsteht, die in dem zweiten Quadranten unmittelbar zuvor angelegt wurde. Die H-Brückenschaltung 20Y geht in den Frei-Modus über, wenn die Rücklaufspannung abfällt und zudem der Spulenstrom IMout3-2 gleich 0 wird. Zum Zeitpunkt t49 geht die H-Brückenschaltung 20Y in den Frei-Modus über.
Im Frei-Modus tritt in der H-Brückenschaltung 20Y der Y-Phase eine Gegen-EMK in Gegenrichtung des Rücklaufs auf. Die Entstehungszeit des Rücklaufs und die Gegen-EMK ändern sich durch die Antriebsspannung des Motors, die Antriebslast des Motors und die Drehgeschwindigkeit.
Wie im Folgenden ausgeführt, weist die CPU 101 für die H-Brückenschaltungen 20X, 20Y pro PWM-Zyklus den langsamen Abfallmodus an, wenn in der Zeit ab dem Verlangsamungsbeginnschritt bis zum Anhalten der durch die Stromfeststellungskomponente 116 detektierte Motorstrom einen bestimmten Stromwert überschritten hat.
Die CPU 101 berechnet anhand der durch den Zeitgeber gemessenen Zeit des direkt vorherigen Schritts, der vorgegebenen maximalen Geschwindigkeit und der Anzahl der Verlangsamungsschritte die Zeit des Schritts dieser Verlangsamungsschrittnummer. Die CPU 101 führt eine Kommutierung ausgelöst durch diese Zeit anstelle des Nulldurchgangs der Gegen-EMK durch und geht zum nächsten vierten Quadranten über.
Infolge der Verlangsamung kann der Absolutwert des Spulenstroms IMout1-0 der X-Phase steil ansteigen. In diesem Fall verhindert die H-Brückenschaltung 20X durch einen Übergang zu einem langsamen Abfallmodus mittels einer Stromsteuerung pro PWM-Zyklus einen Überstrom. Ab dem Zeitpunkt t50 nimmt hier der Absolutwert des Spulenstroms IMout1-0 zwar leicht zu, die H-Brückenschaltung 20X geht jedoch nicht in den langsamen Abfallmodus über.
Der Durchgangsschutzmodus ist falls erforderlich zwischen den jeweiligen Modi eingeschoben, damit die oberen und unteren FET der Halbbrücke nicht gleichzeitig eingeschaltet werden. Dadurch kann ein Durchgangsstrom verhindert werden.
«Vierter Quadrant: Zeitpunkt t52: Zweiter Schritt der Verlangsamung»
Zum Zeitpunkt t52 des vierten Quadranten geht die H-Brückenschaltung 20X der X-Phase in den Rücklaufmodus der entgegengesetzten Richtung zu dem zweiten Quadranten über. Die H-Brückenschaltung 20Y der Y-Phase geht in den Lademodus der entgegengesetzten Richtung zu dem zweiten Quadranten über. Der vierte Quadrant ist der zweite Schritt der Verlangsamung des Schrittmotors 120. Wie in 10 gezeigt, befindet sich der Schrittmotor 120 in der Y(-)-Phase und die Spannung VMout2 wird zu der Spannung MVdd.
Wie in 9 gezeigt, schaltet bei der H-Brückenschaltung 20Y der Y-Phase im Lademodus die Spannung VMout3 auf GND und die Spannung VMout2 auf die Spannung MVdd um. An die Statorwicklung 124Y der Y-Phase wird eine Spannung MVdd in entgegengesetzter Richtung zu dem zweiten Quadranten angelegt und der Spulenstrom IMout3-2 der Y-Phase nimmt in entgegengesetzter Richtung zu dem zweiten Quadranten allmählich zu. Die Operation des vierten Quadranten ist abgesehen von der Richtung, in die der Strom fließt, identisch mit dem zweiten Quadranten.
In der H-Brückenschaltung 20X der X-Phase entsteht ein Rücklaufimpuls (Rücklauf), der in Gegenrichtung der Spannung entsteht, die in dem dritten Quadranten unmittelbar zuvor angelegt wurde. Die H-Brückenschaltung 20X geht in den Frei-Modus über, wenn die Rücklaufspannung abfällt und zudem der Spulenstrom IMout1-0 gleich 0 wird. Zum Zeitpunkt t53 geht die H-Brückenschaltung 20X in den Frei-Modus über.
Im Frei-Modus tritt in der H-Brückenschaltung 20X der X-Phase eine Gegen-EMK in Gegenrichtung des Rücklaufs auf. Die Entstehungszeit des Rücklaufs und die Gegen-EMK ändern sich durch die Antriebsspannung des Motors, die Antriebslast des Motors und die Drehgeschwindigkeit.
Wie im Folgenden ausgeführt, weist die CPU 101 für die H-Brückenschaltungen 20X, 20Y pro PWM-Zyklus den langsamen Abfallmodus an, wenn in der Zeit ab dem Verlangsamungsbeginnschritt bis zum Anhalten der durch die Stromfeststellungskomponente 116 detektierte Motorstrom einen bestimmten Stromwert überschritten hat.
Die CPU 101 berechnet anhand der durch den Zeitgeber gemessenen Zeit des direkt vorherigen Schritts, der vorgegebenen maximalen Geschwindigkeit und der Anzahl der Verlangsamungsschritte die Zeit des Schritts dieser Verlangsamungsschrittnummer. Die CPU 101 führt eine Kommutierung ausgelöst durch diese Zeit anstelle des Nulldurchgangs der Gegen-EMK durch und geht zum nächsten ersten Quadranten über.
Infolge der Verlangsamung kann der Absolutwert des Spulenstroms IMout3-2 der Y-Phase steil ansteigen. In diesem Fall verhindert die H-Brückenschaltung 20Y durch einen Übergang zu einem langsamen Abfallmodus mittels einer Stromsteuerung pro PWM-Zyklus einen Überstrom. Ab dem Zeitpunkt t54 nimmt hier der Absolutwert des Spulenstroms IMout3-2 zwar leicht zu, die H-Brückenschaltung 20Y geht jedoch nicht in den langsamen Abfallmodus über.
Der Durchgangsschutzmodus ist falls erforderlich zwischen den jeweiligen Modi eingeschoben, damit die oberen und unteren FET der Halbbrücke nicht gleichzeitig eingeschaltet werden. Dadurch kann ein Durchgangsstrom verhindert werden.
«Erster Quadrant: Zeitpunkt t56: Dritter Schritt der Verlangsamung»
Zum Zeitpunkt t56 des ersten Quadranten geht die H-Brückenschaltung 20X der X-Phase in den Lademodus über. Die H-Brückenschaltung 20Y der Y-Phase geht in den Rücklaufmodus über. Der erste Quadrant ist der dritte Schritt der Verlangsamung des Schrittmotors 120. Wie in 10 gezeigt, befindet sich der Schrittmotor 120 in der X(+)-Phase und die Spannung VMout1 wird zu der Spannung MVdd.
Wie in 9 gezeigt, schaltet bei der H-Brückenschaltung 20X der X-Phase im Lademodus die Spannung VMout0 auf die Spannung MVdd und die Spannung VMout1 auf GND um. An die Statorwicklung 124X der X-Phase wird die Spannung MVdd angelegt und der Spulenstrom IMout1-0 der X-Phase nimmt allmählich zu.
In der H-Brückenschaltung 20Y der Y-Phase entsteht ein Rücklaufimpuls (Rücklauf), der in Gegenrichtung der Spannung entsteht, die in dem vierten Quadranten unmittelbar zuvor angelegt wurde. Die H-Brückenschaltung 20Y geht in den Frei-Modus über, wenn die Rücklaufspannung abfällt und zudem der Spulenstrom IMout3-2 gleich 0 wird. Zum Zeitpunkt t57 geht die H-Brückenschaltung 20Y in den Frei-Modus über.
Im Frei-Modus tritt in der H-Brückenschaltung 20Y der Y-Phase eine Gegen-EMK in Gegenrichtung des Rücklaufs auf. Die Entstehungszeit des Rücklaufs und die Gegen-EMK ändern sich durch die Antriebsspannung des Motors, die Antriebslast des Motors und die Drehgeschwindigkeit.
Die bisherige Operation des ersten Quadranten ist abgesehen von der Richtung, in die der Strom fließt, identisch mit dem dritten Quadranten.
Wie im Folgenden ausgeführt, weist die CPU 101 für die H-Brückenschaltungen 20X, 20Y pro PWM-Zyklus den langsamen Abfallmodus an, wenn in der Zeit ab dem Verlangsamungsbeginnschritt bis zum Anhalten der durch die Stromfeststellungskomponente 116 detektierte Motorstrom einen bestimmten Stromwert überschritten hat.
Die CPU 101 berechnet anhand der durch den Zeitgeber gemessenen Zeit des direkt vorherigen Quadrantenschritts, der vorgegebenen maximalen Geschwindigkeit und der Anzahl der Verlangsamungsschritte die Zeit des Schritts dieser Verlangsamungsschrittnummer. Die CPU 101 führt eine Kommutierung ausgelöst durch diese Zeit anstelle des Nulldurchgangs der Gegen-EMK durch und geht zum nächsten vierten Quadranten über.
Infolge der Verlangsamung kann der Absolutwert des Spulenstroms IMout1-0 der X-Phase steil ansteigen. In diesem Fall verhindert die H-Brückenschaltung 20X durch einen Übergang zu einem langsamen Abfallmodus mittels einer Stromsteuerung pro PWM-Zyklus einen Überstrom. Ab dem Zeitpunkt t58 nimmt hier der Absolutwert des Spulenstroms IMout1-0 zwar leicht zu, die H-Brückenschaltung 20X geht jedoch nicht in den langsamen Abfallmodus über.
Der Durchgangsschutzmodus ist falls erforderlich zwischen den jeweiligen Modi eingeschoben, damit die oberen und unteren FET der Halbbrücke nicht gleichzeitig eingeschaltet werden. Dadurch kann ein Durchgangsstrom verhindert werden.
«Zweiter Quadrant: Zeitpunkt t60: Verlangsamungsanhalteschritt»
Zum Zeitpunkt t60 des zweiten Quadranten geht die H-Brückenschaltung 20X der X-Phase in den Rücklaufmodus über. Die H-Brückenschaltung 20Y der Y-Phase geht in den Lademodus über. Der zweite Quadrant ist der Verlangsamungsanhalteschritt des Schrittmotors 120. Wie in 10 gezeigt, befindet sich der Schrittmotor 120 in der Y(+)-Phase und die Spannung VMout3 wird zu der Spannung MVdd.
Wie in 9 gezeigt, schaltet bei der H-Brückenschaltung 20Y der Y-Phase im Lademodus die Spannung VMout3 auf die Spannung MVdd und die Spannung VMout2 auf GND um. An die Statorwicklung 124Y der Y-Phase wird die Spannung MVdd angelegt und der Spulenstrom IMout3-2 der Y-Phase nimmt allmählich zu. Die Operation des zweiten Quadranten ist abgesehen von der Richtung, in die der Strom fließt, identisch mit dem vierten Quadranten.
In der H-Brückenschaltung 20X der X-Phase entsteht ein Rücklaufimpuls (Rücklauf), der in Gegenrichtung der Spannung entsteht, die in dem dritten Quadranten unmittelbar zuvor angelegt wurde. Die H-Brückenschaltung 20X geht in den Frei-Modus über, wenn die Rücklaufspannung abfällt und zudem der Spulenstrom IMout1-0 gleich 0 wird. Zum Zeitpunkt t61 geht die H-Brückenschaltung 20X in den Frei-Modus über.
Im Frei-Modus tritt in der H-Brückenschaltung 20X der X-Phase eine Gegen-EMK in Gegenrichtung des Rücklaufs auf. Die Entstehungszeit des Rücklaufs und die Gegen-EMK ändern sich durch die Antriebsspannung des Motors, die Antriebslast des Motors und die Drehgeschwindigkeit.
Wie im Folgenden ausgeführt, weist die CPU 101 für die H-Brückenschaltungen 20X, 20Y pro PWM-Zyklus den langsamen Abfallmodus an, wenn in der Zeit ab dem Verlangsamungsbeginnschritt bis zum Anhalten der durch die Stromfeststellungskomponente 116 detektierte Motorstrom einen bestimmten Stromwert überschritten hat.
Die CPU 101 berechnet anhand der durch den Zeitgeber gemessenen Zeit des direkt vorherigen Quadrantenschritts, der vorgegebenen maximalen Geschwindigkeit und der Anzahl der Verlangsamungsschritte die Zeit des Schritts dieser Verlangsamungsschrittnummer. Die CPU 101 führt eine Kommutierung ausgelöst durch diese Zeit anstelle des Nulldurchgangs der Gegen-EMK durch und geht zum nächsten dritten Quadranten über.
Infolge der Verlangsamung kann der Absolutwert des Spulenstroms IMout3-2 der Y-Phase steil ansteigen. In diesem Fall verhindert die H-Brückenschaltung 20Y durch einen Übergang zu einem langsamen Abfallmodus mittels einer Stromsteuerung pro PWM-Zyklus einen Überstrom. Ab dem Zeitpunkt t62 nimmt hier der Absolutwert des Spulenstroms IMout3-2 den Schwellenwert überschreitend zu, sodass die H-Brückenschaltung 20Y zyklisch in den langsamen Abfallmodus übergeht.
Dadurch gelangt der Schrittmotor 120 in die endgültige Anhaltegeschwindigkeit, sodass dieser an der gewünschten Drehposition angehalten werden kann.
Die Verlangsamung ist auch dadurch möglich, dass der Spulenstrom in einem den Antrieb des Motors und die endgültige Positionshaltung nicht beeinflussenden Bereich von einem 100%igen On-Duty allmählich verringert wird. Unter On-Duty ist die Einschaltzeit des FETs pro PWM-Zyklus zu verstehen. In diesem Fall sollte während des Verlangsamens durch die Anhaltesteuerung das Kommutieren ausgelöst durch den Nulldurchgang der Gegen-EMK erfolgen. Eine Schrittverlustfeststellung kann durch die Abweichung der Rücklaufzeit und der Gegen-EMK beurteilt werden.
11 ist ein Ablaufdiagramm, das die Verarbeitung des ersten Quadranten der X-Phase bei der vorliegenden Ausführungsform erläutert. Die vorliegende Ausführungsform unterscheidet sich in der Verarbeitung ab der Anhaltesteuerungsbeginnposition von dem in 7 dargestellten Vergleichsbeispiel. Die CPU 101 stellt ab der Anhaltesteuerungsbeginnposition einen Anhaltesteuerungszeitgeber ein, wobei diese außerdem ab der (Anhaltesteuerungsbeginnposition + 1) anstelle des Nulldurchgangs der Gegen-EMK der Y-Phase mit dem Anhaltesteuerungszeitgeber betrieben wird.
In dem ersten Quadranten stellt die CPU 101 die maximale Tastung pro PWM-Zyklus ein und stellt einen Wert in einem Verzögerungszeitgeber ein (Verarbeitung S50). Die H-Brückenschaltung 20X der X-Phase geht in die Bestromungsperiode über. In der Bestromungsperiode geht die H-Brückenschaltung 20X der X-Phase in den Lademodus über.
Die CPU 101 schaltet den FET 2 der High-Side (HS) des Anschlusspunkts Mout1 ein und schaltet zudem den FET 8 der Low-Side (LS) des Anschlusspunkts Mout0 ein (Verarbeitung S51). Dann startet die CPU 101 den Bestromungszeitgeber (Verarbeitung S52).
Die CPU 101 beurteilt, ob sich die Drehposition des Motors auf oder über der (Anhaltesteuerungsbeginnposition + 1) befindet (Verarbeitung S53). Befindet diese sich auf oder über der (Anhaltesteuerungsbeginnposition + 1) (Verarbeitung S53 → Yes), beginnt die CPU 101 mit der Anhaltesteuerung. Die CPU 101 substrahiert den Anhaltesteuerungszeitgeber (Verarbeitung S58), wiederholt die Verarbeitung S59 und die Verarbeitung S58 solange, bis der Zeitgeberwert gleich 0 wird, und geht danach zur Verarbeitung S60 weiter.
Befindet sich die Drehposition des Motors unter der (Anhaltesteuerungsbeginnposition + 1) (Verarbeitung S53 → No), geht die CPU 101 weiter zur Verarbeitung S54 und führt die normale Verarbeitung des ersten Quadranten durch.
In der Verarbeitung S54 beurteilt die CPU 101, ob die maximale Zeit bezüglich der Y-Phase abgelaufen ist oder nicht. Hat die CPU 101 beurteilt, dass die maximale Zeit bezüglich der Y-Phase nicht abgelaufen ist (Verarbeitung S54 → No), beurteilt diese den Nulldurchgang der Gegen-EMK der Y-Phase (Verarbeitung S55). Hat die CPU 101 beurteilt, dass kein Nulldurchgang der Gegen-EMK der Y-Phase vorliegt (Verarbeitung S55 → No), folgt eine Rückkehr zur Verarbeitung S54.
Hat die CPU 101 den Nulldurchgang der Gegen-EMK der Y-Phase beurteilt (Verarbeitung S55 → Yes), substrahiert diese den Verzögerungszeitgeber (Verarbeitung S56). Hat die CPU 101 beurteilt, dass der Verzögerungszeitgeber nicht gleich 0 geworden ist (Verarbeitung S57 → No), folgt eine Rückkehr zur Verarbeitung S54.
Sobald der Verzögerungszeitgeber gleich 0 geworden ist (Verarbeitung S57 → Yes), geht die CPU 101 weiter zur Verarbeitung S60, schaltet den FET 2 der High-Side (HS) des Anschlusspunkts Mout1 und den FET 8 der Low-Side (LS) des Anschlusspunkts Mout0 aus und beendet die Bestromungsperiode.
Hat die CPU 101 ferner in der Verarbeitung S54 beurteilt, dass die maximale Zeit bezüglich der Y-Phase abgelaufen ist (Verarbeitung S54 → Yes), führt diese ungeachtet der Beurteilung des Nulldurchgangs der Gegen-EMK der Y-Phase und des Zählwerts des Verzögerungszeitgebers die Verarbeitung S60 durch und beendet die Bestromungsperiode.
Nach Beendigung der Bestromungsperiode beendet die CPU 101 den Bestromungszeitgeber und berechnet aufgrund des Werts des Bestromungszeitgebers die Geschwindigkeit (Verarbeitung S61). Befindet diese sich auf oder über der Anhaltesteuerungsbeginnposition (Verarbeitung S62 → Yes) stellt die CPU 101 ferner den Anhaltesteuerungszeitgeber ein (Verarbeitung S63). Dann beendet die CPU 101 die Verarbeitung im ersten Quadranten der X-Phase.
Die Verarbeitung des zweiten Quadranten der X-Phase mittels der Motorantriebsteuervorrichtung der vorliegenden Ausführungsform ist gleich der Verarbeitung des in 8 gezeigten Vergleichsbeispiels.
12 ist ein Ablaufdiagramm, das die Verarbeitung des bestromungsseitigen PWM-Zyklus bei der vorliegenden Ausführungsform erläutert.
Die „Bestromung“ besteht dabei aus einem mindestens einmaligen „bestromungsseitigen PWM-Zyklus“, der pro PWM-Zyklus ausgeführt wird. Die Verarbeitung des bestromungsseitigen PWM-Zyklus ist einschließlich einer Normalzeit zur Durchführung einer Maximalstrombegrenzung bei einer Anhaltesteuerung stets erforderlich. Bei einem 1-Phasen-Erregungsantrieb handelt es sich im Allgemeinen um ein Verfahren, das keinen PWM-Zyklus verwendet.
Die CPU 101 stellt, wenn der bestromungsseitige PWM-Zyklus begonnen hat und es sich außerdem um den ersten Zyklus des PWM-Zyklus in diesem Quadranten handelt (Verarbeitung S70 → Yes), den Schwellenwert des Spulenstroms ein (Verarbeitung S71), und geht weiter zur Verarbeitung S72. Wenn es sich nicht um den ersten Zyklus des PWM-Zyklus in diesem Quadranten handelt (Verarbeitung S70 → No), geht die CPU 101 weiter zur Verarbeitung S72.
Hat der Spulenstrom den Schwellenwert überschritten (Verarbeitung S72 → Yes), lässt die CPU 101 die H-Brückenschaltung 20 in den langsamen Abfallmodus übergehen (Verarbeitung S73) und geht weiter zur Verarbeitung S74.
Hat der Spulenstrom den Schwellenwert nicht überschritten (Verarbeitung S72 → No), geht die CPU 101 weiter zur Verarbeitung S74. Die CPU 101 lässt die H-Brückenschaltung 20, wenn diese sich nicht in einem langsamen Abfallmodus befindet (Verarbeitung S74 → No) in den Lademodus übergehen (Verarbeitung S75), und wenn sich die H-Brückenschaltung 20 im langsamen Abfallmodus befindet (Verarbeitung S74 → Yes), führt sie eine Beendungsbeurteilung des bestromungsseitigen PWM-Zyklus durch (Verarbeitung S76).
Die CPU 101 wiederholt die Verarbeitungen S72 bis S75 solange, bis der bestromungsseitige PWM-Zyklus beendet wird (Verarbeitung S76 → No).
13 ist ein Ablaufdiagramm, das die Verarbeitung des PWM-Zyklus der Gegenseite (Nichtbestromungsseite) bei der vorliegenden Ausführungsform erläutert. Unter Gegenseite ist dabei die Nichtbestromungsseite von dem PWM-Zyklus zu verstehen, wobei die Verarbeitung des PWM-Zyklus dieser Seite pro PWM-Zyklus ausgeführt wird.
Die CPU 101 lässt, wenn der gegenseitige PWM-Zyklus begonnen wurde, und es sich außerdem um den ersten Zyklus des PWM-Zyklus in diesem Quadranten handelt (Verarbeitung S80 → Yes), die H-Brückenschaltung 20 in den Rücklaufreationsmodus übergehen (Verarbeitung S81), und geht weiter zur Verarbeitung S82. Wenn es sich nicht um den ersten Zyklus des PWM-Zyklus in diesem Quadranten handelt (Verarbeitung S80 → No), geht die CPU 101 weiter zur Verarbeitung S82.
Danach geht die H-Brückenschaltung 20, wenn es sich um den Rücklaufmodus handelt (Verarbeitung S82 → Yes), und außerdem der Rücklaufmodus beendet ist (Verarbeitung S83 → Yes) in den Gegen-EMK-Modus über (Verarbeitung S84) und dann folgt die Verarbeitung S85. Befindet sich die H-Brückenschaltung 20 nicht in dem Rücklaufmodus (Verarbeitung S82 → Yes), folgt die Verarbeitung S85. Befindet sich die H-Brückenschaltung 20 in dem Rücklaufmodus (Verarbeitung S82 → Yes), und ist außerdem der Rücklaufmodus fortgesetzt (Verarbeitung S83 → No), folgt die Verarbeitung S88.
Befindet sich die H-Brückenschaltung 20 in der Verarbeitung S85 nicht in dem Gegen-EMK-Modus (Verarbeitung S85 → No), oder ist der Gegen-EMK-Modus beendet (Verarbeitung S86 → Yes) geht die H-Brückenschaltung 20 in den Frei-Modus über (Verarbeitung S87) und es folgt die Verarbeitung S88. Befindet sich die H-Brückenschaltung 20 in dem Gegen-EMK-Modus (Verarbeitung S85 → Yes), und ist außerdem der Gegen-EMK-Modus fortgesetzt (Verarbeitung S86 → No), folgt die Verarbeitung S88.
Die CPU 101 und die H-Brückenschaltung 20 wiederholen die Verarbeitungen S82 bis S87 solange, bis der bestromungsseitige PWM-Zyklus beendet wird (Verarbeitung S88 → No).
«Verschiedene Verlangsamungssteuerverfahren»
Bei der Motorsteuervorrichtung 100 der vorliegenden Ausführungsform führt die CPU 101 beim Anhalten des Antriebs des Schrittmotors 120 ab einem berechneten Verlangsamungsbeginnschritt bis zum Absinken auf oder unter eine bestimmte Drehgeschwindigkeit, bei der ein Anhalten an der gewünschten Position möglich ist, pro Schritt eine Verlängerungssteuerung der Kommutierungszeit durch. Konkret gesagt, führt die CPU 101 bei einem Anhalten des Antriebs des Schrittmotors 120 eine dem folgenden Verlangsamungsschritt folgende Verlangsamungssteuerung, durch die die Phasenumschaltzeit (Kommutierungszeit) verlängert wird, bis auf eine Geschwindigkeit durch, bei der die Anhaltepositionspräzision des Schrittmotors 120 aufrechterhalten werden kann, sodass mit einer geringen Schrittanzahl die Positionspräzision aufrechterhalten wird.
«Verlangsamungssteuerverfahren mittels einer Zeitverlängerung»
Die CPU 101 führt eine Steuerung durch, durch die der Schrittmotors 120 ab dem Verlangsamungsbeginnschritt bis auf oder unter eine bestimmte Drehgeschwindigkeit verlangsamt wird, die basierend auf dem Nulldurchgang der Gegen-EMK erfolgte Kommutierung abgebrochen und die Kommutierungszeit pro Schritt somit verlängert wird. Konkret gesagt, verlangsamt die CPU 101 die Motordrehgeschwindigkeit dadurch, dass sie die Zeit der 1-Phasenerregung der Zeit unmittelbar vor der Verlangsamung misst und die Phasenumschaltzeit (Kommutierungszeit) allmählich verlängernd die Zeit steuert. Dieses Verlangsamungsverfahren ermöglicht die Aufrechterhaltung der Positionspräzision mittels einer Einstellung der Verlangsamungsschrittanzahl und der Zeitverlängerungskoeffizient. Als Zeitverlängerung wird z. B. eine um einen bestimmten Anteil verlängerte Kommutierungszeit pro Schritt (z. B. eine Verlängerung der Zeit um jeweils 25 % pro Schritt) angesehen. Dies ist in der folgenden Formel (1) dargestellt.
[Formel 1] $T_{next} = (1 + K_{extend}) \times T_{now}$
wobei

T_next: Phasenumschaltzeit im nächsten Schritt
T_now: Phasenumschaltzeit im diesmaligen Schritt
K_extend: Zeitverlängerungskoeffizient zwischen den Schritten (z. B. 25%)

Dadurch wird die Zeit der jeweiligen Schritte zum 1,25 → 1,56 → 1,95 → 2,44-fachen und die Durchschnittsgeschwindigkeit wird zu 80 % → 64 % → 51,2 % → 41,0 %. Durch dieses Verlangsamungsverfahren kann die Geschwindigkeit mit einer geringen Schrittanzahl direkt nach Verlangsamungsbeginn steil und kurz vor Verlangsamungsende sanft verlangsamt werden.
«Verlangsamungssteuerverfahren mittels einer Endgeschwindigkeitsanweisung + konstanten Geschwindigkeitsabnahme»
Die Zeit der 1-Phasenerregung unmittelbar vor dem Verlangsamungsbeginnschritt wird gemessen und die Geschwindigkeit wird mittels der Formel (2) berechnet.
[Formel 2] $V_{first} = \frac{1}{T_{prew}}$

V_first: Geschwindigkeit unmittelbar vor dem Verlangsamungsbeginnschritt
T_prev: Zeit der 1-Phasenerregung unmittelbar vor dem Verlangsamungsbeginnschritt

Außerdem werden die Verlangsamungsschrittanzahl und die letzte Schrittzeit festgelegt und mittels der Formel (3) erfolgt eine derartige Berechnung, dass die Abnahme der Durchschnittsgeschwindigkeit zwischen den Schritten konstant wird.
[Formel 3] $V_{tick} = \frac{(V_{first} - \frac{1}{T_{final}})}{D_{steps}}$
wobei

V_tick: Geschwindigkeitsabnahme zwischen den Schritten
D_steps: Verlangsamungsschrittanzahl
V_first: Geschwindigkeit bei Verlangsamungsbeginn
T_final: letzte Schrittzeit

Wird die Geschwindigkeitsabnahme in die Formel (4) eingesetzt, kann die Geschwindigkeit in den jeweiligen Schritten berechnet werden.
[Formel 4] $V_{next} = V_{now} - V_{tick}$
wobei

V_next: Geschwindigkeit im nächsten Schritt
V_now: Geschwindigkeit im diesmaligen Schritt
V_tick: Geschwindigkeitsabnahme zwischen den Schritten

Durch dieses Verlangsamungsverfahren ist es möglich, durch das Festlegen der Geschwindigkeit als Hauptsache der Bewegungsenergie effektiv ohne Nachlauf eine Einstellung zu erfolgen.
«Verlangsamungssteuerverfahren mittels Endgeschwindigkeitsanweisung + konstanter Zeitinkrementierung»
Es handelt sich um ein Verfahren, bei dem die Verlangsamungsschrittanzahl und die Zeit des letzten Schritts derart festgelegt wird, dass die Zeitverlängerungskoeffizient der jeweiligen Schritte konstant wird. Die Beziehung zwischen der Geschwindigkeit und der Zeit gemäß diesem Verlangsamungssteuerverfahren ist in 14 dargestellt.
Bei diesem Verlangsamungssteuerverfahren ist charakteristisch, dass das Absinken der Durchschnittsgeschwindigkeit direkt nach dem Verlangsamungsbeginn groß und das Absinken der Durchschnittsgeschwindigkeit direkt vor dem Verlangsamungsende gering ist.
«Verlangsamungssteuerverfahren mittels Endgeschwindigkeitsanweisung + konstanter Verlangsamungsgeschwindigkeit»
Es handelt sich um ein Verfahren, bei dem die Verlangsamungsschrittanzahl und die Geschwindigkeit des letzten Schritts derart festgelegt werden, dass die Verlangsamungsgeschwindigkeit konstant wird. Zu diesem Zeitpunkt wird die Geschwindigkeit eine lineare Funktion der Zeit. Die Beziehung zwischen der Geschwindigkeit und der Zeit gemäß diesem Verlangsamungssteuerverfahren ist in 15 dargestellt.
«Verlangsamungssteuerverfahren mittels Endgeschwindigkeitsanweisung + Geschwindigkeitstabelle»
Die Zeit der 1-Phasenerregung unmittelbar vor dem Verlangsamungsbeginnschritt wird gemessen, die Verlangsamungsschrittanzahl und die letzte Schrittzeit werden festgelegt, und anhand einer Geschwindigkeit, die mittels der durch die Geschwindigkeitstabelle (Trapez/S-Form, Linearabschnitt ja/nein) verhältnisberechneten Verlangsamungsgeschwindigkeit berechnet wurde, wird die Kommutierungszeit festgelegt und eine Verlangsamung erfolgt. Durch dieses Verlangsamungsverfahren wird der Verlauf der Geschwindigkeit unmittelbar nach Verlangsamungsbeginn und unmittelbar vor Verlangsamungsende sanft und der Einfluss auf die Last wird am geringsten.
Die Motordrehgeschwindigkeit kann auch dadurch verlangsamt werden, dass zusätzlich zu dem vorstehenden Verlangsamungssteuerverfahren zudem gleichzeitig eine die Tastung pro PWM-Zyklus der 1-Phasenerregung bewusst allmählich sinkende Taststeuerung verwendet wird. Durch eine Senkung der Tastung um je 10 % ergibt sich z. B. 90 % → 80 % → 70 % → 60 %. Dabei sollte gleichzeitig eine die Phasenumschaltzeit (Kommutierungszeit) allmählich verlängernde Zeitsteuerung verwendet werden, da es, wenn eine Kommutierung ausgelöst durch den Nulldurchgang der Gegen-EMK durchgeführt wird, bei einer Zunahme der Last z. B. durch die Drehung des Motors zu einem Mangel des bei einem Anheben der Last erforderlichen Stroms kommen kann. Der Einfluss dieser Taststeuerung auf die Verlangsamung der Geschwindigkeit variiert je nach Motor und Spannung/Last.
(Wirkungen der vorliegenden Ausführungsform)

(1) Dadurch, dass eine Verlängerungssteuerung der Kommutierungszeit pro Schritt oder eine Verlängerungssteuerung des Nulldurchgangabstands zwischen den Schritten durchgeführt wird, kann gegenüber der sich ändernden Spannung oder der sich durch die Drehung des Motors ändernden Last die Anhaltepositionspräzision beim Anhalten eines Motors, der durch eine 1-Phasenerregung und positionssensorlos angetrieben ist, erhöht werden.
(2) Durch das Verlangsamungssteuerverfahren gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird ein Anhalten an einer gewünschten Position ohne Nachlauf der Anhalteposition des Motors ermöglicht.
(3) Durch das Verlangsamungssteuerverfahren gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist es unabhängig von der Antriebsspannung oder der Last möglich, die Drehanhalteposition des Motors mit wenigen Schritten und außerdem in kurzer Zeit exakt zu steuern.
(4) Überschreittet der Spulenstrom einen Schwellenwert, legt die CPU 101 durch den PWM-Zyklus den langsamen Abfallmodus fest. Dadurch kann ein Abfall des Spulenstroms unterdrückt werden, sodass die Antriebskraft und die Haltekraft aufrechterhalten werden können. Ferner kann das Entstehen einer elektromagnetischen Störung unterdrückt werden.
(5) Überschreittet der Spulenstrom einen Schwellenwert, führt die CPU 101 eine Steuerung durch, durch die der Lademodus und der langsame Abfallmodus wiederholt werden. Dadurch verkleinern sich Stromwelligkeiten.

(Abwandlungen)
Die vorliegende Erfindung ist nicht durch die vorstehenden Ausführungsformen beschränkt, wobei in einem nicht von dem Zweck der vorliegenden Erfindung abweichenden Rahmen Abwandlungen möglich sind, wie z. B. diejenigen der folgenden Punkte (a) bis (c).

(a) Die Art des Motors ist nicht auf einen Schrittmotor beschränkt, sondern umfasst auch einen bürstenlosen Gleichstrommotor.
(b) Die Verlangsamung ist auch dadurch möglich, dass der Spulenstrom in einem den Antrieb des Motors und die endgültige Positionshaltung nicht beeinflussenden Bereich von einem 100%igen On-Duty allmählich verringert wird. Unter On-Duty ist dabei die Einschaltzeit des FETs pro PWM-Zyklus zu verstehen.
(c) Die CPU 101 kann auch unabhängig von einem Anhaltesteuerungszeitgeber eine Verlängerungssteuerung der Kommutierungszeit pro Schritt durchführen, indem ein Anhaltesteuerungswert in dem Bestromungszeitgeber eingestellt wird.

Bezugszeichenliste

100: Motorsteuervorrichtung
101: CPU (Beispiel des Steuermittels)
107: Brückensteuerkomponente
110: Brückensteuerschaltung
113: PWM-Signalgenerator
114: Vergleicher
115: D/A-Konverter
116: Stromfeststellungskomponente (Beispiel des Stromdetektormittels)
118: BEMF-Feststellungskomponente (Beispiel des Nulldurchgangsdetektormittels)
120: Schrittmotor
122XN, 122XP, 122YN, 122YP: Statoren
124,: Statorwicklungen
124X, 124Y: (Beispiel der Motorspulen)
126: Rotor
130: Host-Vorrichtung
140: Gleichstromquelle
142: Erdungskabel
20, 20X, 20Y: H-Brückenschaltung
2, 4, 6, 8, 15, 17: FET
12, 14, 16, 18: Dioden
Icoil: Strommesswert
Iref: Stromreferenzwert
VM: Motorspannung
Mout0, Mout1, Mout2, Mout3: Verbindungspunkte
VMout0, VMout1, VMout2, VMout3: Spannung
MVdd: Spannung
IMout1-0, IMout3-2: Spulenstrom

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2005229743 A [0007]

Claims

Motorantriebsteuervorrichtung mit einem Nulldurchgangdetektormittel, das einen Nulldurchgang einer Gegen-EMK von an einem Motor vorgesehenen Motorspulen detektiert, und einem Steuermittel, das einen Antrieb des Motors mittels eines 1-Phasen-Erregungsverfahrens und positionssensorlos steuert, und basierend auf dem durch das Nulldurchgangdetektormittel detektierten Nulldurchgang der Gegen-EMK eine Kommutierung und mittels einer einer Antriebsspannung und einer Last abhängigen Drehgeschwindigkeit die Antriebssteuerung des Motors, und bei einem Anhalten des Antriebs des Motors ab einem berechneten Verlangsamungsbeginnschritt bis zum Sinken auf oder unter eine bestimmte Drehgeschwindigkeit, bei der ein Anhalten an einer gewünschten Position möglich ist, eine Verlängerungssteuerung einer Kommutierungszeit pro Schritt durchführt.
Motorantriebsteuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermittel eine Steuerung durchführt, durch die der Motor ab dem Verlangsamungsbeginnschritt bis auf oder unter eine bestimmte Drehgeschwindigkeit verlangsamt wird, die basierend auf dem Nulldurchgang der Gegen-EMK erfolgte Kommutierung abgebrochen und die Kommutierungszeit pro Schritt somit verlängert wird.
Motorantriebsteuervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermittel die Kommutierungszeit pro Schritt in einem bestimmten Verhältnis verlängert.
Motorantriebsteuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlangsamungsbeginnschritt aus der Anzahl von Antriebsschritten und der Anzahl von Verlangsamungsschritten berechnet wird.
Motorantriebsteuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einer aus an den Motorspulen angeschlossenen Halbbrücken zusammengesetzten H-Brückenschaltung, und einem Stromdetektormittel, das einen in den Motorspulen fließenden Motorstrom detektiert, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermittel in der Zeit von dem Verlangsamungsbeginnschritt bis zum Anhalten, für den Fall, dass der Motorstrom, der durch das Stromdetektionsmittel detektiert wurde, einen bestimmten Stromwert überschreittet, für die H-Brückenschaltung pro PWM-Zyklus einen langsamen Abfallmodus anweist.
Motorantriebsteuervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermittel als Operationsmodus bei einer Strombegrenzung eine Steuerung durchführt, bei der ein Lademodus und ein langsamer Abfallmodus wiederholt werden.
Motorantriebsteuervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermittel als Operationsmodus bei einer Strombegrenzung nach dem Wiederholen des Lademodus und des langsamen Abfallmodus pro PWM-Zyklus der Reihe nach in einen Durchgangsschutzmodus, Rücklaufmodus und Frei-Modus einen Wechsel durchführt.
Motorantriebsteuerverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass ein Nulldurchgang einer Gegen-EMK von an einem Motor vorgesehenen Motorspulen detektiert wird, der Antrieb des Motors mittels eines 1-Phasen-Erregungsverfahrens und positionssensorlos gesteuert wird, basierend auf dem detektierten Nulldurchgang der Gegen-EMK eine Kommutierung und mittels einer einer Antriebsspannung und einer Last abhängigen Drehgeschwindigkeit eine Antriebssteuerung des Motors, und beim Anhalten des Antriebs des Motors ab einem berechneten Verlangsamungsbeginnschritt bis zum Sinken auf oder unter eine bestimmte Drehgeschwindigkeit, bei der ein Anhalten an einer gewünschten Position möglich ist, eine Verlängerungssteuerung einer Kommutierungszeit pro Schritt durchgeführt wird.