DE19701883A1 - Vorrichtung zum Erfassen des Außertrittfallens eines Schritt- oder Synchronmotors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Vorrichtung zum Erfassen des Außertrittfal­ lens eines Schritt- bzw. Synchronmotors nach dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruchs 1.

Aus der EP 0 462 050 A1 ist es bekannt, eine den Motorstrom reprä­ sentierende Spannung regelmäßig, und zwar entsprechend der Schritt­ frequenz des Motors, zu erfassen. Übersteigt ein Spannungs-Meßwert einen vorgegebenen Grenzwert, wird dies durch Vergleich mit anderen Spannungs-Meßwerten erkannt, so daß daraus auf ein Außertrittfallen des Motors geschlossen werden kann. Der Meßmethode nach dem Stand der Technik liegt der Gedanke zugrunde, daß das Außertrittfallen des Motors beispielsweise aus einem zu hohen Lastmoment resultiert. Da­ bei tritt ein erhöhter Motorstrom auf, der bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes als Kriterium für die Detektion des Außertrittfallens herangezogen wird. Nachteilig an der bekannten Meßmethode ist, daß sie von Randbedingungen, insbesondere der Netz­ spannung abhängig ist, weil die dem Motorstrom proportionale Strang­ spannung des jeweils durchgeschalteten Strangs gemessen wird. Des­ weiteren ist der Motorstrom abhängig von dem temperaturabhängigen Spulenwiderstand jedes einzelnen Stranges.

Aus der DE 44 19 813 A1 ist ferner eine Vorrichtung zum Erfassen des Außertrittfallens eines Schrittmotors bekannt, wobei zur Bestimmung eines Außertrittfallsignals der Differenzen- oder Differentialquotient eines Strommeßwertes herangezogen wird. Nachteilig an dieser be­ kannten Vorrichtung ist, daß der Stromwert eines durchgeschalteten Strangs herangezogen wird, wobei das entsprechende Auswerteintervall vor dem Erreichen des stationären Motorstroms endet. Infolgedessen ist das Meßergebnis abhängig von beispielsweise Netzspannungsschwan­ kungen, was zu falschen Meßergebnissen führen kann oder temperatur­ abhängig vom Spulenwiderstand.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich­ tung zum Erfassen des Außertrittfallens eines Schritt- oder Syn­ chronmotors anzugeben, so daß ein sicheres und genaues Erkennen des Außertrittfallens gewährleistet ist.

Zur Lösung der Aufgabe weist die Erfindung die Merkmale des An­ spruchs 1 auf.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Spannung des Schritt­ motors als Meßgrundlage zur Erkennung des Außertrittfallens heranzu­ ziehen. Dabei wird der Spannungsverlauf in einem solchen Zeitinter­ vall erfaßt, in welchem der zugeordnete Strang abgeschaltet bzw. der Strom durch diesen Strang gleich Null ist. Diese ermittelte Spannung weist nämlich einen durch die Bewegung des Rotors induzierten Span­ nungsanteil auf, der bei Vorliegen eines zu großen Lastwinkels bzw. einer zu großen Last den Spannungsverlauf gravierend verändert. Im normalen Betriebszustand des Motors hat die Klemmenspannung in einem Auswertezeitintervall einen Verlauf mit negativer Steigung. Erhöht sich der Lastwinkel über einen vorgegebenen Wert, verändert sich der Spannungsverlauf dahingehend, daß der Spannungsverlauf auch Ab­ schnitte positiver Steigung aufweist. Nach der vorliegenden Erfin­ dung dient als Kriterium für das Außertrittfallens des Schrittmotors das Erfassen einer positiven Steigung der Spannung innerhalb eines Zeitintervalls, in dem der einer entsprechenden Klemme zugeordnete Motorstrang nicht zugeschaltet ist. Damit der Spannungsverlauf in diesem Zeitintervall zuverlässig erfaßt werden kann, wird die Span­ nung innerhalb des Auswertezeitintervalls mehrmals abgetastet. Durch Vergleich des Spannungsmeßwertes mit einem vorhergehenden Spannungs­ meßwert kann auf einen eventuellen Anstieg der Spannung geschlossen werden.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung wird periodisch jede Strang­ spannung fortlaufend in einem Zeitintervall erfaßt, in dem der der jeweiligen Klemme zugeordnete Motorstrang durch vorgesehene Schalt­ elemente abgeschaltet ist.

Dadurch, daß als Kriterium für das Erfassen des Außertrittfallens die Klemmenspannung während eines Zeitintervalls herangezogen wird, in dem der jeweilige Motorstrang ausgeschaltet ist, erfolgt die Mes­ sung unabhängig von einer Netzspannung, insbesondere von einer Bordnetzspannung eines Kraftfahrzeugs. Gerade die Bordnetzspannung eines Kraftfahrzeugs kann bei Einschalten großer Verbraucher, z. B. einer Heckscheibenheizung oder eines Lüftermotors, stark einbrechen. Dieser Spannungseinbruch hat jedoch keinen Einfluß auf den Verlauf der detektierten Spannungsmeßwerte. Erst bei Vorliegen einer zu großen Last bzw. eines Zurückschwingens des Motors, nachdem das ab­ triebsseitige Stellelement gegen einen Anschlag gelaufen ist, ändert sich der Verlauf der Spannung, so daß sicher und zuverlässig auf ein Außertrittfallen erkannt werden kann. Weiterhin ist das Meßergebnis frei von strömenden Temperatureinflüssen.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung dient zum Vergleichen von mindestens zwei aufeinanderfolgenden Spannungsmeßwerten ein Kompara­ tor, an dessen ersten Eingang ein Kondensator zur Speicherung eines Spannungsmeßwertes angeschlossen ist. In Abhängigkeit von dem Aus­ gangssignal des Komparators wird ein Außertrittfall-Signal erzeugt, das zum selbsttätigen Abschalten des Motors führen kann. Somit läßt sich auf einfache Weise eine Schaltung realisieren, die zum sicheren Abschalten eines Schrittmotors im Außertrittfall-Zustand führt.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der Vergleich der Spannungsmeßwerte auch innerhalb eines Mikroprozessors oder eines Mikrocontrollers erfolgen, dem ein Speicher zur Speicherung der er­ forderlichen Spannungsmeßwerte zugeordnet ist. Vorteilhaft kann die­ ser Mikroprozessor als Bordmikroprozessor ausgeführt sein, der zu­ sätzlich andere steuerungstechnische Aufgaben innerhalb des Kraft­ fahrzeugs übernimmt. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild eines Schrittmotors,

Fig. 2 ein Zeitdiagramm der Ansteuerung der einzelnen Spulen eines Schrittmotors und ein Zeitdiagramm der Spannungsverläufe der Motorstränge bei bela­ stetem Motor und bei außertrittgefallenem Motor,

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Auswerteeinheit nach einem ersten Ausführungsbeispiel und

Fig. 4 ein Blockschaltbild eines Teils einer Auswerte­ einheit nach einem zweiten Ausführungsbeispiel.

Nachfolgend wird beispielhaft eine Vorrichtung zum Erfassen des Außertrittfallens eines Schrittmotors angegeben. Alternativ kann diese Vorrichtung auch für beliebige impulsgesteuerte Elektromotoren ange­ wendet, insbesondere Gleichstrommotoren in einem getakteten Betrieb.

Der im folgenden beschriebene Schrittmotor kann beispielsweise Be­ standteil einer Klimaanlage sein, wobei Luftklappen durch diesen verstellt und in eine vorgegebene Position gebracht werden.

Fig. 1 zeigt das Ersatzschaltbild eines zweipoligen und unipolaren Schrittmotors. Der Schrittmotor 1 besteht aus den Wicklungen W1 und W2, wobei die Wicklungen W1 und W2 aus je zwei Teilwicklungen Sp1, Sp2 bzw. Sp3, Sp4 - auf die Pole verteilt - bestehen. Für die Erre­ gung der Wicklungen Sp1, Sp2, Sp3 und Sp4 ist der Schrittmotor 1 mit einer Ansteuerschaltung 2 verbunden, die als elektronische Steuer­ schaltung ausgebildet ist und entsprechend dem Zeitdiagramm gemäß Fig. 2 die jeweiligen Teilwicklungen Sp1, Sp2, Sp3 und Sp4 ansteu­ ert. Die Ansteuerschaltung 2 weist vorzugsweise jeweils den Teilwicklungen Sp1 bis Sp4 zugeordnete Transistoren als Schalter auf. Diese Schalter sind in Fig. 1 mit S1, S2, S3 und S4 symboli­ siert.

Wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, wird jeder Motorstrang durch Betäti­ gen der Schalter S1 bis S4 periodisch an eine Klemmenspannung U_kl angelegt. Die Klemmenspannung U_kl kann der Bordnetzspannung entspre­ chen. Dabei wird jeder der Motorstränge einer Wicklung W1 bzw. W2 nacheinander für eine Impulsdauer t_e mit der Klemmenspannung U_kl be­ aufschlagt. Die Periodendauer T_i der Impulsfolge entspricht der dop­ pelten Impulsdauer t_i. Durch Zusammenwirken aller vier Motorstränge bzw. aller Teilwicklungen Sp1 bis Sp4 ergibt sich eine Schrittperi­ odendauer T_s, die der halben Impulsdauer t_i entspricht. Dem Kehrwert der Schrittperiodendauer T_s entspricht die Schrittfrequenz f_s. In der unteren Hälfte der Fig. 2 ist der zeitliche Verlauf der Schalterspannungen U₁ bis U₄ aufgetragen, die jeweils an den Schal­ tern S1 bis S4 anliegen. Die Kurve des durchgezogenen Spannungsver­ laufs ergibt sich bei überlastfreiem Betrieb des Schrittmotors 1. In dem Zeitdiagramm für die Schalterspannung U₁ ist exemplarisch der Verlauf der Spannung bei überlastetem bzw. außertrittgefallenem Schrittmotor in gestrichelter Form aufgetragen. Diese Kurvenform gilt für die Schalterspannungen U₂ bis U₄ bei außertrittgefallenem Schrittmotor 1 in gleichem Maße.

Erfindungsgemäß wird der zeitliche Verlauf dieser Schalterspannungen U₁ bis U₄ zur Bestimmung des Außertrittfallens ausgewertet. Dabei dient als Auswertezeitintervall t_a ein Zeitintervall, innerhalb des­ sen der jeweilige Motorstrang bzw. die Teilwicklung SP₁ bis SP₄ nicht von der Klemmenspannung U_kl beaufschlagt wird. Und zwar liegt das Auswertezeitintervall t_a in der zweiten Hälfte eines Zeitinter­ valls t_o, in dem der Strang bzw. die Teilwicklung SP₁ bis SP₄ abge­ schaltet ist. Das Zeitintervall t_o stimmt bei dem vorliegenden Aus­ führungsbeispiel mit der Dauer der Zeitintervalls t_i überein. Alter­ nativ kann das Zeitintervall t_o auch anders bemessen sein. Das Aus­ wertezeitintervall t_a beginnt zu einem Startzeitpunkt t₁, der zu ei­ nem Zeitpunkt zwischen einem Abschaltzeitpunkt t_ab und einem End­ zeitpunkt t₂ liegt, vorzugsweise kurz nach einer Hälfte einer Im­ pulsdauer t_i. Das Auswertezeitintervall t_a endet spätestens zu einem Endzeitpunkt t₂, der einem Zeitpunkt kurz vor dem Beginn des näch­ sten Impulses des jeweiligen Stranges entspricht. Als Auswertekrite­ rium für das Vorliegen eines Außertrittfallens dient im wesentlichen die Steigung der jeweiligen Schalterspannung U₁ bis U₄. Befindet sich der Schrittmotor 1 in einem überlastfreien Betrieb, haben die Schalterspannungen U₁ bis U₄ in dem Auswertezeitintervall t_a einen Verlauf mit negativer Steigung. Befindet sich der Schrittmotor 1 in einem überbelastetem Zustand, entsprechend dem gestrichelten Verlauf der Spannung U₁ in Fig. 2, weist die Schalterspannung U₁ bis U₄ zumindest bereichsweise in dem Auswertezeitintervall t_a eine posi­ tive Steigung oder ebenen Verlauf auf. Zum Erkennen des Vorliegens des überbelasteten Zustands bzw. des Außertrittfallens kann der Dif­ ferentialquotient bzw. Differenzenquotient des Spannungsverlaufs U₁ herangezogen werden. Es kann dabei schon ausreichen, daß jeweils zwei aufeinanderfolgende Spannungsmeßwerte miteinander verglichen werden.

Zu diesem Zweck werden - wie in Fig. 3 zu ersehen ist - in einer eine Auswerteeinheit 8 aufweisenden Steuerschaltung 11 die Schalter­ spannungen U₁ bis U₄ gemessen und einem Multiplexer 3 zugeführt. Die Ausgangsgrößen des Multiplexers 3 werden in einem Analog/Digital-Wand­ ler 4 digitalisiert und dann einem Vergleicher 5 zugeführt. In dem Vergleicher 5 erfolgt der Vergleich aufeinanderfolgender Schal­ terspannungswerte U₁, U₂, U₃, U₄ für den jeweiligen Motorstrang. Dem Vergleicher 5 ist ein Speicher 6 zugeordnet, dessen Speicherkapazi­ tät zur Speicherung einer Vielzahl von Spanungswerten ausreicht. Die jeweils strangrichtigen Spannungswerte werden in dem Vergleicher 5 verglichen. Wird im dem Vergleicher 5 ein positiver Differenzenquo­ tient bzw. ein Spannungsanstieg festgestellt, erfolgt ein Außer­ trittfallsignal 7, das an eine Ansteuerschaltung 2 abgegeben wird und in dieser ein Abschalten des Schrittmotors 1 bewirkt. Somit kann beispielsweise der Anschlag einer Luftklappe an einem festen Gehäu­ seteil erkannt werden, und durch Abschalten des Schrittmotors 1 das ansonsten störende Geräusch des fortwährenden Anschlagens vermieden werden. Der Vergleicher 5 und der Speicher 6 sind vorzugsweise als Teil eines Mikroprozessors oder eines Mikrocontrollers 8 ausgebil­ det.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Steuerschaltung 2 kann die Erkennung des Außertrittfallens auch durch eine Auswerteeinheit gem. Fig. 4 erfolgen. Diese Auswerteeinheit besteht aus einer einen Ope­ rationsverstärker 12 aufweisenden Schaltung 10, wobei an einem er­ sten Eingang 15 des Operationsverstärkers 12 ein erster Spannungswert einer Schalterspannung U₁ bis U₄ abgetastet wird, indem ein Schalter S5 kurzzeitig geschlossen wird und an einem zweiten Eingang 16 des Operationsverstärkers 12 ebenfalls durch Abtastung durch kurzzeitiges Schließen eines Schalters S6 ein zweiter, zeitlich nachfolgender Spannungswert der jeweiligen Schalterspannung U₁ bis U₄ gemessen wird. Bei Vorliegen eines Außertrittfallens gibt der Operationsver­ stärker ein positives Signal an ein nachgeschaltetes Kippglied 13 ab, so daß am Ausgang desselben ein positives Außertrittfallsignal 14 anliegt, das an die Ansteuerschaltung 2 abgegeben werden kann. Diese bewirkt dann ein Abschalten des Schrittmotors 1.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Erfassen des Außertrittfallens und Blockierens eines Schritt- oder Synchronmotors mit Mittel zum Erfassen mindestens eines Meßwertes, mit einer Auswerteeinheit, in der der Meßwert mit einem Referenzwert verglichen und bei Über­ schreiten des Referenzwertes ein Außertrittfallsignal abgege­ ben wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spannungsmeßwert (U₁, U₂, U₃, U₄) eines abgeschalteten Motorstrangs den Meßwert bildet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung des Spannungsmeßwertes (U₁, U₂, U₃, U₄) eines Mo­ torstrangs in einem solchen Zeitintervall erfolgt, innerhalb dessen die Klemmenspannung (U_kl) desselben Motorstrangs nicht anliegt, wobei das Zeitintervall im wesentlichen der Impuls­ dauer (t_i) entspricht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung des Spannungsmeßwertes (U₁, U₂, U₃, U₄) innerhalb einer zweiten Hälfte des Zeitintervalls (t_o) vorge­ sehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitintervall (t_o) als Auswertezeitintervall (t_a) frühestens mit einem vorgegebenen Startzeitpunkt (t₁) beginnt, der unmit­ telbar nach der Hälfte des Zeitintervalls (t_o) vorgesehen ist und zu einem vorgegebenen Endzeitpunkt (t₂) endet, der unmit­ telbar vor dem Ende des Zeitintervalls (t_o) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in der Auswerteeinheit (8) mindestens zwei Span­ nungsmeßwerte ausgewertet werden, wobei bei Vorliegen eines im Vergleich zum ersten Spannungswert größeren, zeitlich späteren Spannungswerts ein Außertrittfallsignal (7) abgebbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Spannungsmeßwert innerhalb des Auswertezeit­ intervalls (t_a) mit einer solchen Abtastfrequenz abgetastet wird, die größer ist als die Schrittfrequenz (f_s), insbeson­ dere ein Mehrfaches der Schrittfrequenz (f_s).

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Auswerteeinheit (8) als Mittel zum Verglei­ chen von Spannungsmeßwerten (U₁, U₂, U₃, U₄) einen Komparator (12) mit einem an einem Eingang liegenden Kondensator auf­ weist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Auswerteeinheit (8) als Mittel zum Verglei­ chen von Spannungsmeßwerten (U₁, U₂, U₃, U₄) einen Mikroprozessor oder einen Mikrocontroller (9) aufweist mit ei­ nem Speicher (6) zur Speicherung von mindestens zwei Span­ nungsmeßwerten (U₁, U₂, U₃, U₄).

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Mikroprozessor oder dem Mikrocontroller (9) ein Ana­ log/Digital-Wandler (4) sowie ein Multiplexer (3) vorgeschal­ tet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schrittmotor (1) als unipolarer Schrittmotor ausgebildet ist.