DE4123404A1 - Schrittmotor-treiberschaltung mit ausfallsicherung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Treiberschaltkreis zum Antrieb eines Schrittmotors mit einer Ausfallsicherung zum Schutz des Schaltkreises im Fall eines elektrischen Fehlers in dem Schaltkreis.

Es ist bekannt, Schrittmotor-Treiberschaltkreise mit einer Schutzeinrichtung zu versehen, die den Schaltkreis im Falle eines Kurzschlusses in einem Schaltkreiselement, der Verdrahtung oder dergleichen schützt, um eine Beschädigung des Schrittmotors und/oder von Schaltkreiselementen durch durch den Motor und/oder die Schaltkreiselemente fließenden Oberstrom zu verhindern.

Folgende Schutzvorrichtungen sind bekannt:

• 1. ein Typ mit einer Sicherung, die durch Oberstrom abschaltet wird;
• 2. ein Typ mit einem Widerstand geringen Widerstands­ werts, der in dem Treiberschaltkreis an geeigneter Stelle zur Erfassung von Oberstrom angeordnet ist, so daß nach Erfassung des Oberstroms durch den Widerstand ein Relais oder dergleichen betätigt wird, das die Antriebsstrom­ versorgung zu dem Schrittmotor unterbricht; und
• 3. ein Typ mit Mitteln zum Anlegen von Antriebsimpul­ sen an den Schrittmotor und zum Erfassen des Drehwinkels des durch die Impulse angetriebenen Motors, Mitteln zum Er­ fassen eines Fehlers in dem Treiberschaltkreis auf Basis des erfaßten Drehwinkels und der Anzahl der an den Motor angelegten Antriebsimpulse und Mitteln zum Abschalten der Antriebsstromversorgung zu dem Motor nach der Erfassung eines Fehlers.

Der Typ 1 hat den Nachteil geringer Ansprechempfind­ lichkeit. Der Typ 2 hat den Nachteil großen Wärmeverlusts über den Widerstand. Der Typ 3 ist andererseits nicht in der Lage, selektiv ausschließlich elektrische Fehler zu erfassen, weil er irrtümlich das Auftreten eines Fehlers werten kann, auch wenn das Erfassungsmittel des Drehwin­ kels ein Überspringen des Motors feststellt oder wenn ein mechanischer Fehler auftritt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Treiber­ schaltkreis zum Antrieb eines Schrittmotors mit einer Ausfallsicherung aufzuzeigen, der ausschließlich elektri­ sche Fehler schnell und sicher erfassen kann und darüber hinaus eine Ausfallsicherung bildet, um eine Beschädigung des Motors und/oder seiner zugeordneten Teile auf Grund von Überstrom und dergleichen zu verhindern.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Treiberschaltkreis zum Antrieb eines Schrittmotors mit einer Vielzahl Erregerwicklungen unterschiedlicher Phasen angegeben, umfassend:
eine Vielzahl Erregertransistoren zum Antrieb der jeweili­ gen Erregerwicklungen des Schrittmotors;
wenigstens einen Zerhackertransistor zum Zerhacken des zu den Erregerwicklungen fließenden Stroms;
Steuermittel zur Versorgung des wenigstens einen Zerhackertransistor mit wenigstens einem Steuersignal;
Erfassungsmittel zum Erfassen, ob das wenigstens eine Steuersignal ein Tastverhältnis hat, das aus einem zwischen oberen und unteren vorbestimmten Grenzwerten vorbestimmten Bereich fällt; und
Unterbrechermittel zum Unterbrechen der Stromzufuhr zu dem Schrittmotor in Antwort auf ein Ausgangssignal des Erfassungsmittels, wenn das Erfassungsmittel erfaßt, daß das Tastverhältnis aus einem vorbestimmten Bereich fällt.

Bevorzugt umfaßt das Erfassungsmittel einen Schaltkreis für hohes Tastverhältnis zur Erfassung, ob das Tastverhältnis des wenigstens einen Steuersignals über einem vorbestimmten oberen Grenzwert liegt, und einen Schaltkreis für niedriges Tastverhältnis zur Erfassung, ob das Tastverhältnis des wenigstens einen Steuersignals unter einem vorbestimmten unteren Grenzwert liegt.

Weiter bevorzugt bewirkt das Unterbrechermittel ein Ab­ schalten der Erregertransistoren, wenn der Schaltkreis für hohes Tastverhältnis erfaßt, daß das wenigstens eine Steuer­ signal über dem vorbestimmten Grenzwert liegt, und ein Abschalten des wenigstens einen Zerhackertransistors, wenn der Schaltkreis für niedriges Tastverhältnis erfaßt, daß das Tastverhältnis unter dem vorbestimmten Grenzwert liegt.

Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung eines Aus­ führungsbeispiels in Verbindung mit den beigefügten Zeich­ nungen ersichtlich.

Fig. 1 zeigt einen Schaltplan eines erfindungsgemäßen Schrittmotor-Treiberschaltkreises;

Fig. 2 zeigt einen Schaltplan des Innenaufbaus einer Motorerregerschaltung nach Fig. 1; und

Fig. 3 zeigt eine Darstellung der Eingangs- und Ausgangscharakteristika eines Schaltkreises für hohe Tastverhältnisse und eines Schaltkreises für niedrige Tastverhältnisse nach Fig. 1.

In Fig. 1 ist die Anordnung eines Schrittmotors und eines Treiberschaltkreises zum Antrieb des Schrittmotors gemäß einer Ausführung der Erfindung dargestellt. Der Schrittmotor gemäß dieser Ausführung ist zur Verwendung in Kraftfahrzeugen geeignet.

In dieser Figur bezeichnet 1 eine Batterie, deren negative Elektrode geerdet ist und deren positive Elektrode jeweiliges über Sicherungen F1 und F2 mit einem Zündschal­ ter 2 eines Kraftfahrzeugs (nicht gezeigt) sowie mit einem Schaltelement 3b eines Relais 3 verbunden ist. Der Zünd­ schalter 2 ist mit einer Wicklung 3a des Relais 3 ver­ bunden. Die Wicklung 3a ist wiederum mit dem Kollektor eines Ausfallsicherungs-Relaistransistors 5 (nachfolgend "FSRTR" genannt) verbunden, sowie mit einem Eingangsan­ schluß P3 einer zentralen Schalteinheit 17 (nachfolgend "CPU" genannt). Der FSRTR 5 ist über seinen Emitter geerdet und über seine Basis mit einem Ausgangsanschluß P6 der CPU 17 verbunden. Mit dieser Anordnung wird der FSRTR 5 durch die CPU 17 zum An- und Ausschalten gesteuert. Wenn er an­ geschaltet ist, ist das Schaltelement 3b des Relais 3 geschlossen.

Das Schaltelement 3b des Relais 3 ist über entsprechende Leitungen VP1 und VP2 mit Zerhackertransis­ toren 6, 7 (nachfolgend als "CHOPTR" bezeichnet) ver­ bunden. Die CHOPTR 6, 7 sind mit ihren Kollektoren über ent­ sprechende Leitungen COM1 und COM2 an Erregerwicklungen 42 und 44 der zweiten Phase und Erregerwicklungen 41 und 43 der ersten Phase des Schrittmotors 4 angeschlossen. Die CHOPTR 6 und 7 sind mit ihrer Basis an Ausgangsanschlüsse jeweiliger ODER-Schaltkreise 12 und 13 angeschlossen. Diese ODER-Schaltkreise 12 und 13 sind mit ihren einen Ein­ gangsanschlüssen jeweils an Ausganganschlüsse P7 und P8 der CPU 17 angeschlossen, und mit ihren jeweils anderen Ein­ gangsanschlüssen an den Ausgang eines ODER-Schaltkreises 14 angeschlossen. Der ODER-Schaltkreis 14 ist mit seinem einen Eingangsanschluß mit einem Ausgangsanschluß P5 der CPU 17 und mit seinem anderen Eingangsanschluß mit dem Ausgang eines ODER-Schaltkreises 15 verbunden. Die Ausgangsanschlüs­ se P7, P8 geben Signale niedrigen Pegels aus, außer wenn die CPU 17 eine Fehlerdiagnose durchführt, und der ODER- Schaltkreis 15 erzeugt einen niedrigen Ausgangspegel, außer wenn an einem Schaltkreis 21 für niedriges Tastverhältnis einen Fehler erfaßt hat. Das Tastverhältnis wird auch als Impulstastfaktor oder Nutzungsfaktor bezeichnet. Auf diese Weise werden die CHOPTR 6 und 7 durch ein Zerhackerimpuls­ signal vom dem Ausgangsanschluß PS der CPU 17 zum An- und Abschalten gesteuert. Das Zerhackerimpulssignal hat ein in Antwort der Ausgangsspannung VB der Batterie 1 variables Tastverhältnis, so daß die Tastverhältnisse der Impulssig­ nale an den Leitungen COM1 und COM2 innerhalb eines vor­ bestimmten Bereichs (3%-93% in dieser Ausführung) gesteuert werden. Somit wird dem Schrittmotor 4 eine konstante wirksame Leistung zugeführt, unabhängig von der Ausgangsspannung VB der Batterie 1.

Die Erregerwicklungen 41-44 des Schrittmotors 4 sind mit den Kollektoren von Erregertransistoren 10a, 8a, 11a und 9a (nachfolgend als "EXTR" bezeichnet) entsprechender Motorerregerschaltungen 10, 8, 11 und 9 verbunden. Wie in Fig. 2 dargestellt, enthält der Motorerregerschaltkreis 8 einen EXTR 8a, einen Steuertransistor 8b (nachfolgend als "CONTTR" bezeichnet) und einen Widerstand 8c. Der Emitter des CONTTR 8b ist über den Widerstand 8c mit der Basis des EXTR 8a verbunden, während die Basis und der Kollektor des CONTTR 8b mit Steuereingangsanschlüssen C1 und C2 des Motor­ erregerschaltkreises 8 verbunden sind.

Die anderen Motorerregerschaltkreise 9-11 haben genau den selben Aufbau wie der oben beschriebene Motorerre­ gerschaltkreis 8. Die Emitter der EXTR's 8a-11a sind über entsprechende Leitungen PG1 und PG2 geerdet.

Die ersten Steuereingangsanschlüsse C1 der Motorerre­ gerschaltkreise 8-11 sind mit entsprechenden Ausgangsan­ schlüssen P9-P12 der CPU 17 verbunden, und ihre zweiten Steuereingangsanschlüsse C2 sind mit dem Kollektor eines Phasenanschnittransistors 22 (nachfolgend als "PCUTTR" be­ zeichnet) verbunden. Der PCUTTR 22 ist mit seinem Emitter mit einer Stromversorgung Vcc zur Versorgung positiver Span­ nung verbunden. Wenn bei dieser Anordnung der PCUTTR 22 angeschaltet ist, nehmen die zweiten Steuereingangsanschlüs­ se C2 der Erregerschaltkreise 9-11 ein hohes Potential an, so daß die EXTR 8a-11a an- und abgeschaltet werden, und zwar in Antwort auf Impulssignale von den Ausgangsan­ schlüssen P9-P12 der CPU 17, die mit den ersten Steuerein­ gangsanschlüssen C1 verbunden sind. Demgemäß werden die Erregerwicklungen 41-44 zum Antrieb des Schrittmotors 4 erregt.

Die Leitungen COM1 und COM2, mit denen die Kollektoren der CHOPTR 6, 7 verbunden sind, sind mit ersten Enden ent­ sprechender Widerstände 18, 19 verbunden, deren andere En­ den wiederum miteinander verbunden sind und außerdem mit Eingangsanschlüssen eines Schaltkreises 20 für hohes Tast­ verhältnis (nachfolgend "HDTY-Schaltkreis" genannt) und eines Schaltkreises für niedriges Tastverhältnis 21 (nachfolgend "LDTY-Schaltkreis" genannt). Der Ausgang des HDTY-Schaltkreises 20 ist mit der Basis des PCUTTR 22 und mit einem Eingangsanschluß P1 der CPU 17 verbunden. Der Ausgang des LDTY-Schaltkreises 21 ist mit einem Eingangsan­ schluß P2 der CPU 17 und einem Eingangsanschluß des ODER- Schaltkreises 15 verbunden. Ein anderer Eingangsanschluß des ODER-Schaltkreises 15 wird von nicht gezeigten Rück­ setzmitteln über einen Invertierer 16 mit einem Rücksetzsi­ gnal RST versorgt, so daß der Invertierer beim Rücksetzen einen hohen Pegel ausgibt. Der Ausgang des ODER-Schalt­ kreises 15 ist mit dem anderen Eingangsanschluß des ODER- Schaltkreises 14 verbunden.

Der HDTY-Schaltkreis 20 und der LDTY-Schaltkreis 21 haben Eingangs- und Ausgangscharakteristika, die in Fig. 3 entsprechend mit der durchgehenden und der unterbrochenen Linie dargestellt sind. Insbesondere wenn das Tastverhält­ nis eines der Impulssignale der Leitungen COM1 und COM2 93% überschreitet, erzeugt der HDTY-Schaltkreis 20 einen hohen Ausgangspegel, und einen niedrigen Ausgangspegel, wenn das Tastverhältnis gleich oder unter 93% ist. Der LDTY-Schaltkreis 21 erzeugt andererseits einen hohen Aus­ gangspegel, wenn das Tastverhältnis eines der Impulssignale der Leitungen COM1 und COM2 unter 3% liegt, und einen niedrigen Ausgangspegel, wenn das Tastverhältnis gleich oder höher als 3% ist. Falls nun beispielsweise zwischen dem Emitter und dem Kollektor des CHOPTR 6 ein Kurzschluß auftritt, so wird das Tastverhältnis 100% und demgemäß nimmt der Ausgang des HDTY-Schaltkreises 20 einen hohen Pegel ein. Infolgedessen wird der PCUTTR 22 abgeschaltet, so daß die zweiten Steuereingangsanschlüsse C2 der Motor­ erregerschaltkreise 8-11 ein niedriges Potential einnehmen, und zwar unabhängig von dem Potentialpegel des ersten Steuereingangsanschlusses C1, wodurch die EXTR 8a-11a in Abschaltstellung gebracht und gehalten werden. Im Fall, daß die Leitung COM1 mit Masse kurzgeschlossen wird, wird das Tastverhältnis 0%, und demgemäß nimmt der Ausgang des LDTY-Schaltkreises 21 einen hohen Pegel ein. Demzufolge erzeugen die ODER-Schaltkreise 15 und 14 hohe Pegelausgän­ ge, wodurch die CHOPTR 6 und 7 in Abschaltstellung gebracht und gehalten werden.

Die CPU 17 hat einen weiteren Ausgangsanschluß P4, der mit der Basis eines Fehlerdiagnosetransistors 23 (nachfolgend als "CHKTR" bezeichnet) verbunden ist. Der CHKTR 23 ist mit seinem Emitter mit einer Leitung ver­ bunden, die zwischen dem Zündschalter 2 und dem Relais 3 angeschlossen ist, und mit seinem Kollektor mit den Anoden von Dioden 25 und 26 verbunden. Die Dioden 25 und 26 sind mit ihren Kathoden jeweils mit den Leitungen COM1 und COM2 verbunden. Der CHKTR 23, der Widerstand 24 und die Dioden 25 und 26 bilden einen Schaltkreis zur Durchführung einer Fehldiagnose in Antwort auf ein Steuersignal von der CPU 17. Der CHKTR 23 ist normalerweise in Abschaltstellung gehalten.

Nachfolgend wird der Betrieb der oben beschriebenen Schrittmotor-Treiberschaltung beschrieben.

Wenn der Zündschalter 2 geschlossen wird, führt die CPU 17 eine anfängliche Fehlerdiagnose durch. Wenn als Ergebnis dieser Fehlerdiagnose kein Fehler erfaßt wird, bewirkt die CPU 17, daß der FSRTR 5 durchschaltet, so daß das Schaltelement 3b des Relais 3 geschlossen wird, wodurch der Schrittmotor 4 in einen Betriebszustand gebracht wird. Auch nach Beendigung dieser anfänglichen Fehlerdiagnose führt die CPU 17 während des Betriebs der Schrittmotor- Treiberschaltung zu regelmäßigen Zeitintervallen eine vor­ bestimmte Fehlerdiagnose durch, außer wenn der Schrittmotor 4 tatsächlich angetrieben wird.

Wenn durch die CPU 17 keine Fehlerdiagnose durch­ geführt wird, werden die Ausgangsanschlüsse P4, P6 der CPU 17 auf hohem Pegel gehalten, während die Ausgangsanschlüsse P7 und P8 auf niedrigem Pegel gehalten werden. Hierbei gibt der Ausgangsanschluß P5 der CPU 17 ein Impulssignal aus, dessen Tastverhältnis mit der Ausgangsspannung VB der Bat­ terie 1 variiert wird, so daß von den CHOPTR 6, 7 zu den Leitungen COM1 und COM2 abgegebene Impulssignale in dem Bereich von 3% bis 93% gesteuerte Tastverhältnisse haben. Aus diesem Grund erzeugen der HDTY-Schaltkreis 20 und der LDTY-Schaltkreis 21 beide Signale mit niedrigen Pegeln, so daß der PCUTTR 22 in seinem Zustand gehalten wird und der ODER-Schaltkreis 14 ein Signal ausgibt, das genau dem Aus­ gangssignal P5 der CPU 17 entspricht.

Wenn von den Ausgangsanschlüssen P9-P12 der CPU 17 Antriebsimpulssignale zum Antrieb des Schrittmotors 4 er­ zeugt werden, werden die entsprechenden EXTR 8a-11a an- und abgeschaltet, um den Erregerwicklungen 41-44 Antriebs­ impulse zuzuführen und dadurch eine Drehung des Schrittmo­ tors 4 zu bewirken.

Wenn zwischen dem Kollektor und dem Emitter des CHOPTR 6, d. h. zwischen den Leitungen VP1 und der Leitung COM1, ein Kurzschluß auftritt, gibt der HDTY-Schaltkreis 20 wie oben beschrieben einen hohen Pegel aus, um den PCUTTR 22 abzuschalten. Demgemäß nehmen die zweiten Steuereingangs­ anschlüsse C2 der Motorerregerschaltkreise 8-11 ein nie­ driges Potential ein, so daß die EXTR 8a-11a in Abschalt­ stellung gebracht und gehalten werden, und zwar unabhängig von dem Potentialpegel, den die ersten Steuereingangsan­ schlüsse C1 eingenommen haben, wodurch verhindert wird, daß zu den Erregerwicklungen 42, 44 und den EXTR 8a und 9a ein übermäßiger Strom fließt, der diese beschädigen wie etwa verschmoren könnte.

Der gleiche Vorgang wie oben beschrieben findet statt, wenn zwischen den Leitungen VP2 und COM2 ein Kurzschluß auftritt.

Wenn andererseits die Leitung COM1 auf Masse kurz­ geschlossen wird, geht das Ausgangssignal des LDTY-Schalt­ kreises 21 hoch, und entsprechend erzeugen die ODER-Schalt­ kreise 15, 14 hohe Ausgangspegel, so daß die CHOPTR 6, 7 in Abschaltstellung gebracht und gehalten werden, wodurch ver­ hindert wird, daß zu den CHOPTR 6, 7 ein übermäßiger Strom fließt, der diese beschädigen, wie etwa verschmoren könnte.

Der gleich Vorgang findet statt, wenn die Leitung COM2 auf Masse kurzgeschlossen wird.

Die beschriebene Ausführung kann alternativ so ausgebildet sein, daß die CPU 17 an ihrem Ausgangsanschluß P6 einen niedrigen Ausgangspegel erzeugt, um das Schaltelement 3b des Relais 3 auszuschalten, wenn der HDTY-Schaltkreis 20 oder der LDTY-Schaltkreis 21 einen hohen Pegel ausgibt.

Obwohl in der oben beschriebenen Ausführung zwei Zer­ hackertransistoren vorgesehen sind, das sind der CHOPTR 6, der die Stromzufuhr zur Erregerwicklung 42 der zweiten Phase und zur Erregerwicklung 44 der vierten Phase des Schrittmotors 4 steuert, und der CHOPTR 7, der die Strom­ zufuhr zur Erregerwicklung 41 der ersten Phase und zur Erregerwicklung 43 der dritten Phase steuert, so ist dies nicht als Einschränkung zu verstehen. Es kann auch nur ein Zerhackertransistor zur Steuerung der Stromzufuhr zu allen Erregerwicklungen der ersten bis zur vierten Phase vor­ gesehen sein.

Der Treiberschaltkreis zum Antrieb eines Schrittmotors mit einer Vielzahl Erregerwicklungen umfaßt eine Vielzahl Erregertransistoren zum Antrieb der jeweiligen Erregerwick­ lungen des Schrittmotors, wenigstens einen Zerhackertransi­ stor, der ein Zerhacken von zu den Erregerwicklungen fließendem Strom bewirkt, und eine CPU, die dem wenigstens einem Zerhackertransistor wenigstens ein Steuersignal zuführt. Schaltkreise für hohe und niedrige Tastverhältnis­ se erfassen, ob das wenigstens eine Steuersignal ein Tastverhältnis hat, das aus einem durch obere und untere vorbestimmte Grenzwerte vorbestimmten Bereich fällt. Die CPU antwortet auf Ausgangssignale der Schaltkreise für hohe und niedrige Tastverhältnisse mit Unterbrechung der Strom­ zufuhr zu dem Schrittmotor, wenn die letzteren erfassen, daß das Tastverhältnis aus dem vorbestimmten Bereich fällt.

Claims (3)

1. Treiberschaltkreis zum Antrieb eines Schrittmotors mit einer Vielzahl Erregerwicklungen unterschiedlicher Phasen, gekennzeichnet durch

• - eine Vielzahl Erregertransistoren (8a, 9a, 10a, 11a) zum Antrieb der jeweiligen Erregerwicklungen (42, 44, 41, 43) des Schrittmotors (4);
• - wenigstens einen Zerhackertransistor (6, 7) zum Zerhacken von zu den Erregerwicklungen (42, 44, 41, 43) fließendem Strom;
• - Steuermittel (17) zur Versorgung des wenigstens einen Zerhackertransistors (6, 7) mit wenigstens einem Steuer­ signal;
• - Erfassungsmittel (20, 21) zum Erfassen, ob das wenigstens eine Steuersignal ein Tastverhältnis hat, das aus einem zwischen oberen und unteren vorbestimmten Grenzwerten vorbestimmten Bereich fällt; und
• - Unterbrechermittel (17) zum Unterbrechen der Stromzufuhr zu dem Schrittmotor (4) in Antwort auf ein Ausgangssignal der Erfassungsmittel (20, 21), wenn das Erfassungsmittel (20, 21) erfaßt, daß das Tastverhältnis aus einem vorbestimmten Bereich fällt.

2. Treiberschaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Erfassungsmittel (20, 21) einen Schaltkreis (20) für hohes Tastverhältnis hat zur Erfassung, ob das Tastverhält­ nis des wenigstens einen Steuersignals über einem vor­ bestimmten oberen Grenzwert liegt, und einen Schaltkreis (21) für niedriges Tastverhältnis hat zur Erfassung, ob das Tastverhältnis des wenigstens einen Steuersignals unter einem vorbestimmten unteren Grenzwert liegt.

3. Treiberschaltkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Unterbrechermittel ein Abschalten der Erregertran­ sistoren (8a, 9a, 10a, 11a) bewirkt, wenn der Schaltkreis (20) für hohes Tastverhältnis erfaßt, daß das wenigstens eine Steuersignal über dem vorbestimmten Grenzwert liegt, und ein Abschalten des wenigstens einen Zerhackertransistors (6, 7) bewirkt, wenn der Schaltkreis (21) für niedriges Tastverhältnis erfaßt, daß das Tastverhältnis unter dem vorbestimmten Grenzwert liegt.