DE4035970A1 - Verfahren und vorrichtung zur bewegungserkennung eines mehrphasigen schrittmotors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bewegungserkennung eines mehrphasigen, unipolaren Schrittmotors durch Überwachung einer am Schrittmotor anliegenden Spannung.

Um festzustellen, ob ein angesteuerter Schrittmotor blockiert ist, wird üblicherweise die Motorengleichung:
U mot=R×I+L×di/dt+EMK
ausgewertet. Der Faktor di/dt ist als Differentialquotient prizipiell schwierig auszuwerten. Die Hochfrequenzempfindlich­ keit derartiger Verfahren ist sehr hoch.

Ein derartiges Verfahren wird in der EP-A 3 05 876 beschrieben. Zur Bewegungserkennung wird der Motorstrom differenziert, und dieser Wert sinkt nach einem Schritt innerhalb eines bestimmten Intervalles unter ein bestimmtes Niveau. Wird kein Schritt aus­ geführt, so bricht der Wert zusammen (siehe Fig. 5).

In der EP-A 46 722 wird ein Bewegungssensor eines Schrittmo­ tors beschrieben, der den induzierten Strom in einer jeweils nicht erregten Statorwicklung mißt. Die induzierte Spannung steigt über einen festgelegten Wert, wenn der Motor blockiert ist. Es wird nur ein, zyklisch wechselnder Phasenstrang über­ wacht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Bewegungserken­ nung von Schrittmotoren störunempfindlicher zu machen.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Spannungs­ verläufe mindestens zweier aufeinanderfolgender Phasenstränge am Schrittmotor über eine Meßschaltung in kleinen Schritten abgetastet, digitalisiert und von einem Mikrocomputer ausge­ wertet werden, daß jeder Phasenspannungswert mit einem Soll­ wert verglichen und ein Spannungseinbruch erst dann registriert wird, wenn mehr als ein aufeinanderfolgender Abtastwert vom Sollwert abweicht, daß der Sollwert aus der Versorgungsspan­ nung und gespeicherten Referenzläufen des Schrittmotors gewon­ nen wird, wobei die Abtastzeit der Versorgungsspannung nur um einige Mikrosekunden von dem Abtastraster der Phasenspannungen abweicht, daß eine Welligkeit in der Versorgungsspannung rech­ nerisch ausgeglichen wird und daß die digitalisierten Phasen­ spannungen und die digitalisierte Versorgungsspannung während mindestens so vieler Schritte des Motors gespeichert und an­ schließend ausgewertet werden, als der Schrittmotor Phasen hat.

Während mindestens zweier Schritte wird die Phasenspannung ab­ getastet und in einem Speicher des Mikrocomputers abgespeichert. Dies ermöglicht eine kurze Programmlaufzeit und vereinfacht die Programmlogik. Die Phasenspannungswerte werden während der an­ schließenden Schritte verarbeitet. Die Blockierung des Schritt­ motors wird durch den Einbruch der Phasenspannung festgestellt. Spannungseinbrüche können bei allen Phasen des Schrittmotors auftreten, es kommt aber auch vor, daß die Spannungseinbrüche bei den beiden gemessenen Phasen sich im Rhythmus von einigen Sekunden abwechseln. Ebenso ist es möglich, daß nach einigen Sekunden die Spannungseinbrüche nur noch in einer Phase auf­ treten. Daher müssen die beiden ausgewählten, aufeinanderfol­ genden Phasenstränge zur Auswertung herangezogen werden. Zur Unterdrückung von Störspitzen wird ein Spannungseinbruch erst dann registriert, wenn mehr als ein aufeinanderfolgender Pha­ senspannungswert vom Sollwert abweicht.

Es ist vorteilhaft, daß während Start- und Anhaltezeit des Schrittmotors keine Bewegungsüberwachung vorgenommen wird, da während dieser Zeiten der Spannungsverlauf vom Normalwert ab­ weicht und eine Fehlmeldung ausgelöst werden könnte.

Zur Durchführung des Verfahrens ist es vorteilhaft, daß der Mikrocomputer über eine Treiberschaltung mit den Phaseneingän­ gen des Schrittmotors verbunden ist, daß mindestens zwei Meß­ schaltungen einerseits mit je einer Phase und andererseits über Analog/Digital-Wandler mit Eingängen des Mikrocomputers verbun­ den sind und daß eine Meßschaltung mit einer Spannungsklemme und über einen Analog/Digital-Wandler mit einem Eingang des Mikrocomputers verbunden ist.

Darüberhinaus ist es vorteilhaft, daß die Meßschaltung aus einem Spannungsteiler und einem Siebglied besteht und über eine Schutzdiode mit der Betriebsspannungsquelle verbunden ist. Mit dem Spannungsteiler wird die Phasenspannung an den Span­ nungsbereich des Mikrocomputers angepaßt und das Siebglied unterdrückt Hochfrequenzstörungen. Die Schutzdiode hält Über­ spannungen von der Meßschaltung ab.

Zur Überwachung des Gesamtstroms ist ein Eingang eines Kompa­ rators mit Phasenausgängen der Treiberschaltung und der Aus­ gang parallel zu einem Überwachungskondensator mit einem In­ verter verbunden und ist der Inverter ausgangsseitig mit Steuer­ eingängen der Treiberschaltung verbunden. Falls der Strom zu groß wird, entleert der Komparator den Überwachungskondensator und sperrt über das Invertergatter die Treiberschaltung.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles mit drei Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 die Schaltung des Ausführungsbeispieles,

Fig. 2 den Verlauf der Phasenspannungen bei Blockierung und

Fig. 3 einen weiteren Spannungsverlauf der Phasen bei Blockie­ rung.

Fig. 1 zeigt eine Schrittmotoransteuerung für einen 4-phasigen Schrittmotor SM mit unipolarer Ansteuerung, der in einem Kraft­ fahrzeug verwendet wird. Ein Mikrocomputer µC verfügt über ein­ gebaute Analog/Digital-Wandler mit Eingängen A/D. Die Phasenein­ gänge A, B, C, D des Schrittmotors werden über Treibergatter TG und Endtransistoren ET vom Mikrocomputer µC angesteuert. Ein Komparator K überwacht den Gesamtstrom und ist mit Ausgängen der Endtransistoren ET verbunden. An seinem zweiten Eingang liegt über einen Vergleichsspannungsteiler VT die Betriebsspan­ nungsquelle VCC an. Falls der Gesamtstrom zu groß wird, ent­ leert der Komparator K einen ausgangsseitig parallel geschal­ teten Überwachungskondensator C1 und sperrt über einen Inverter I die Treibergatter TG.

An zwei Phaseneingängen A, B wird die Spannung für die Bewegungs­ kontrolle des Schrittmotors SM abgegriffen. In der Kraftfahrzeug­ elektronik kann diese Phasenspannung im Normalbetrieb ungefähr zwischen 0 V und 16 V liegen. Die Höhe ist von der Bordnetzspan­ nung abhängig. Beim "Jump-Start" ist eine Spannung von ca. 24 V möglich. In den Meßschaltungen wird mit Spannungsteilern ST der Spannungsbereich von 0 V bis 16 V auf einen Hub von 0 V bis 5 V reduziert. Spannungen aus dem 24 V-Bereich werden über Schutz­ dioden DS abgeblockt. Siebglieder SG unterdrücken Hochfrequenz­ störungen. Über die Meßschaltungen aus Spannungsteiler ST und Siebglied SG erfolgt die Verbindung der Phaseneingänge A, B mit Eingängen A/D des Mikrocomputers µC.

Die vier Phasen des Schrittmotors SM werden mit aufeinander­ folgenden Impulsfolgen vom Mikrocomputer µC angesteuert. Jede Phase ist um einen Schritt gegenüber der vorherigen verschoben. Die Bordnetzspannung beträgt 12 V. Die Überwachung erfolgt über den Verlauf der Phasenspannungen am jeweiligen Endtransistor ET der beiden Phaseneingänge A, B. Über den Mikrocomputer µC wer­ den die Spannungen der beiden aufeinanderfolgenden Phasen ge­ messen. Während zweier Schritte mit positiver Phasenspannung werden jeweils 10 Abtastwerte in gleichmäßigen Abständen in einem wahlfreien Zugriffsspeicher (RAM) des Mikrocomputers µC abgespeichert. Falls der Schrittmotor SM blockiert ist, treten Spannungseinbrüche der Phasenspannungen auf.

Fig. 2 zeigt Einbrüche der Phasenspannungen, die als signifikant ausgewertet werden. Zuerst wird vom Mikrocomputer verifiziert, ob der Spannungsverlauf eine deutliche Einsenkung in Form einer Kurve aufweist. Störspitzen, die nur während eines Abtastwer­ tes vorhanden sind, werden nicht als Einsenkung gedeutet. Eben­ so werden keine Impulse bei Durchfahren der Start- oder Stop­ rampe des Schrittmotors ausgewertet. Um gegen Fehlimpulse si­ cherer zu sein, wird diese Auswertung einige Male wiederholt.

In Fig. 3 ist dargestellt, daß die Einsenkungen auch von der Bordspannung abhängig sind. Um gute Ergebnisse zu erhalten, ist diese Abhängigkeit vom Mikrocomputer dadurch auszugleichen, daß die Versorgungsspannung des Schrittmotors gemessen wird. Falls in dieser eine signifikante Welligkeit vorhanden ist, wird diese in der Auswertung berücksichtigt. Weiters wird die Welligkeit der Impulse während der ungestörten Rotation des Schrittmotors als Kriterium berücksichtigt. Bei Blockierung des Schrittmotors kann ein Notprogramm ablaufen, das vom Mikrocom­ puter ausgewählt wird.

Im Bereich der Kraftfahrzeugelektronik ist es jedoch zweckmäßi­ ger, die Anpreßimpulse an den Endanschlägen des Schrittmotors zu minimieren. Da jeder dieser Impulse eine Hochfrequenzstö­ rung darstellt, wird diese Störung so gering als möglich ge­ halten. Nach dem Starten des Fahrzeuges wird bei Bedarf das erste Mal normal angepreßt. Falls eine weitere Schrittsynchro­ nisation mit Anpressen nach dem Start erforderlich ist, kann das Anpressen abgekürzt werden.

Claims (5)

1. Verfahren zur Bewegungserkennung eines mehrphasigen, unipo­ laren Schrittmotors (SM) durch Überwachung einer am Schritt­ motor (SM) anliegenden Spannung, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Spannungsverläufe mindestens zweier aufeinanderfolgender Phasenstränge am Schrittmotor (SM) über eine Meßschaltung in kleinen Schritten abgetastet, digitalisiert und von einem Mikrocomputer (µC) ausgewertet werden, daß jeder Phasenspannungswert mit einem Sollwert verglichen und ein Span­ nungseinbruch erst dann registriert wird, wenn mehr als ein auf­ einanderfolgender Abtastwert vom Sollwert abweicht, daß der Sollwert aus der Versorgungsspannung und gespeicherten Referenz­ läufen des Schrittmotors (SM) gewonnen wird, wobei die Abtast­ zeit der Versorgungsspannung nur um einige Mikrosekunden von dem Abtastraster der Phasenspannungen abweicht, daß eine Wellig­ keit in der Versorgungsspannung rechnerisch ausgeglichen wird und daß die digitalisierten Phasenspannungen und die digitali­ sierte Versorgungsspannung während mindestens so vieler Schrit­ te des Motors gespeichert und anschließend ausgewertet werden, als der Schrittmotor (SM) Phasen hat.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß während Start- und Anhaltezeit des Schrittmotors (SM) keine Bewegungsüberwachung vorgenommen wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrocomputer (µC) über eine Treiberschaltung mit den Pha­ seneingängen (A, B, C, D) des Schrittmotors (SM) verbunden ist, daß mindestens zwei Meßschaltungen einerseits mit je einer Pha­ se und andererseits über Analog/Digital-Wandler mit Eingängen des Mikrocomputers (µC) verbunden sind und daß eine Meßschal­ tung mit einer Spannungsklemme (KL 75) und über einen Analog/ Digital-Wandler mit einem Eingang des Mikrocomputers (µC) ver­ bunden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Meßschaltung aus einem Spannungstei­ ler (ST) und einem Siebglied (SG) besteht und über eine Schutz­ diode (DS) mit der Betriebsspannungsquelle (VCC) verbunden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Eingang eines Komparators (K) mit Phasenausgängen der Treiberschaltung und der Ausgang parallel zu einem Überwachungskondensator (Cl) mit einem In­ verter (I) verbunden ist und daß der Inverter (I) ausgangssei­ tig mit Steuereingängen der Treiberschaltung verbunden ist.