DE4400482A1

DE4400482A1 - Korrekturverfahren zwischen dem elektrischen Phasenwinkel und dem mechanischen Abtriebswinkel eines Schrittmotors

Info

Publication number: DE4400482A1
Application number: DE4400482A
Authority: DE
Inventors: Uwe Dipl Ing Hovestadt; Hans Dr Ing Rauch; Bernhard Dipl Ing Herzog; Martin Ehrmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1993-04-23
Filing date: 1994-01-11
Publication date: 1994-10-27

Description

Stand der Technik

Für den Antrieb von Zeigerinstrumenten, speziell in Fahrzeugen, wurden bislang neben mechanischen Tachometern, Bimetallinstrumenten und Drehspulinstrumenten vorwiegend Drehmagnet-Quotienten-Meßwerke (DQM) eingesetzt. In neuerer Zeit setzen sich jedoch - speziell in Europa - Schrittmotoren (2phasig) als Zeigerantrieb immer mehr durch. Solche Schrittmotoren werden sowohl als Direktantriebe (NMB) wie auch - bevorzugt - als Getriebemotoren (Hersteller switec und VDO) eingesetzt.

Für Direktantriebe werden aus Drehmoment- und Kostengründen bislang ausschließlich Klauenpol- (Tin-Can-) Schrittmotoren eingesetzt. Diese Motoren erfordern bei Schrittwinkeln von typisch 7,5° bis 15° für die benötigte Auflösung von ca. 0,1° eine Ansteuerung im Mikroschritt-Betrieb. Die derzeit in großen Stückzahlen gefertigten Standard-Typen haben allerdings einen stark nichtlinearen Zusammenhang zwischen elektrischem Phasenwinkel und mechanischem Abtriebswinkel, so daß die klassische Sinus-Ansteuerung einen völlig indiskutablen, ruckelnden Zeigerlauf ergibt. Die Ursache hierfür liegt - unter anderem - im mechanischen Rastmoment der Motoren.

Es existieren nun speziell optimierte Typen, die auch mit Sinus-Ansteuerung akzeptable Gleichlauf-Eigenschaften aufweisen. Diese Motoren haben allerdings bei erhöhtem konstruktiven Aufwand schlechtere mechanische Kenndaten als die entsprechenden Standard-Typen. Dennoch ist das Verhalten über den Temperatur- und Spannungsbereich nicht vollständig zufriedenstellend. Außerdem benötigen sie für die Nullstellung bzw. Positionskontrolle zusätzliche Sensoren, z. B. einen Hall-IC.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ansteuerung eines Schrittmotors mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß durch die Korrektur der Ansteuerimpulse ein besonders einfacher Encoder (digitaler Winkelgeber) aus dem ′lowest-cost′-Bereich verwendbar ist und somit nicht viel mehr kostet als ein Null-Sensor, der die Null-Lage des Schrittmotors erfaßt. Neben der Null-Stellung kann somit auch die Bewegungskontrolle des Schrittmotors erfaßt und vor allem auch zur Korrektur des Mikroschritt-Verhaltens verwendet werden, wobei die erforderliche Auflösung weit unter der liegt, die bei klassischen Regelverfahren erforderlich ist. Dadurch gelingt es, den Schrittmotor beispielsweise mit einer Auflösung von 0,1° anzusteuern, obgleich der verwendete Winkelgeber diese hohe Auflösung nicht nachmessen kann.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein erstes Blockschaltbild nach dem Stand der Technik, Fig. 2 zeigt ein erstes Diagramm, Fig. 3 zeigt ein zweites Diagramm, Fig. 4 zeigt ein zweites Blockschaltbild, Fig. 5 zeigt ein drittes Blockschaltbild, Fig. 6a und b zeigt jeweils ein zweites Diagramm, Fig. 7 zeigt ein viertes Blockschaltbild, Fig. 8 zeigt ein fünftes Blockschaltbild, Fig. 9 zeigt ein drittes Diagramm, Fig. 10 zeigt ein viertes Diagramm und Fig. 11 ein fünftes Diagramm.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Das erste Blockschaltbild nach Fig. 1 zeigt einen bekannten Schrittmotor 3, auf dessen Welle ein Encoder oder Winkelgeber 4 fest angeordnet ist. Der Winkelgeber 4 hat eine feststehende Lichtschranke 6, an der die Markierung einer Code-Scheibe 7, die mit der Welle des Ankers des Schrittmotors 3 fest verbunden ist, vorbeiläuft. Auf der Welle ist beispielsweise noch ein Zeiger 8 für ein Anzeigeinstrument befestigt, der einer feststehenden Skalenscheibe 5 zugeordnet ist. Das Anzeigeinstrument kann in einer Instrumententafel eines Kraftfahrzeuges angebracht sein. Der Schrittmotor 3 wird von einer Endstufe 2 mit Stromimpulsen versorgt, die von einer vorgeschalteten Steuerung 1 erzeugt werden. Die bekannte Steuerung 1 vergleicht an einem Punkt 10 einen Sollwert 11 mit den vom Winkelgeber 4 gemessenen Wert und steuert oder regelt damit den Strom für die Endstufe 2. Dieses Blockschaltbild entspricht dem bekannten Regelverfahren für die Ansteuerung eines Schrittmotors im Mikroschritt-Betrieb.

Fig. 2 zeigt ein erstes Diagramm, bei dem die Differenz ΔΓ_m zwischen dem tatsächlichen und dem idealen mechanischen Winkel Γ in Form von relativen Schritten über dem elektrischen Winkel Γ_el aufgetragen ist. Bei einer nicht korrigierten Kurve 20 ist erkennbar, daß die Differenz der einzelnen Phasenwinkel Γ_el relativ groß ist. Bei der korrigierten Kurve 21, bei der die Korrektur mittels vier bis fünf Fourier-Koeffizienten durchgeführt wurde, nur eine sehr geringe Differenz auftritt.

Fig. 3 zeigt ein zweites Diagramm, bei dem eine gemessene Kennlinie 30 für Winkelfehler ΔΓ_m mit einer rekonstruierten Kennlinie 31 verglichen wird, die anhand der vier Fourier-Koeffizienten a₂, b₂, a₄, b₄ ermittelt wurde.

Fig. 4 zeigt als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung ein zweites Blockschaltbild für den Schrittmotor 3, bei dem die Steuerung eine Korrekturstufe 40 hat. In der Korrekturstufe 40 sind die ermittelten Fourier-Koeffizienten nach der vereinfachten Fourier-Synthese gebildet, deren Gewinnung später noch erläutert wird.

Fig. 5 zeigt ein drittes Blockschaltbild, bei dem das Blockschaltbild der Fig. 4 um eine adaptive Koeffizientenanpassung 41 ergänzt wird. In dem Summenpunkt 10 werden die Signale des Winkelgebers 4 mit Sollwerten 11 verglichen. Entsprechend dem Ergebnis werden aus dem Koeffizientenspeicher laufend aktuelle Werte ausgelesen, die zur Korrektur in die Korrekturstufe 40 gegeben werden.

Fig. 6a zeigt ein zweites Diagramm, bei dem die Bildung von Korrekturwerten dargestellt ist. Die oberste Kurve entspricht der Winkelteilung auf der Codescheibe 7 des Winkelgebers 4. Der Winkelgeber 4 gibt dabei ideale bzw. reale Signale ab, die den beiden darunter dargestellten Kurven entsprechen. In der nächsten Kurve werden aus den gemessenen Signalen des Winkelgebers 4 Korrekturwerte gebildet, die später noch näher erläutert sind. Sie führen über die realen Signale schließlich zu Korrekturwerten, wie sie in der untersten Kurve dargestellt sind.

Im folgenden wird die Funktionsweise des Korrekturverfahrens näher erläutert.

Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Annahme zugrunde, daß ein einfacher (evtl. einkanaliger) Encoder (digitaler Winkelgeber) nicht sehr viel mehr Kosten verursacht als ein üblicher Null-Sensor. Er kann jedoch außer zur Nullstellung noch zur Bewegungskontrolle genutzt werden (Eigendiagnose) und vor allem auch zur Korrektur des Mikroschritt-Verhaltens, wobei die erforderliche Auflösung weit unter der liegt, die bei klassischem Regelverfahren (Grundstruktur entsprechend Fig. 1) erforderlich ist.

Aus der geringen Winkelauflösung von "Lowest-Cost"-Encodern ergibt sich zwingend, daß bei langsamen Stellvorgängen die Encoder-Pulse eine wesentlich zu große Periodendauer haben, um als Winkelsignal für eine klassische Regelung zu dienen. Als Abhilfe sind folgende Verfahren denkbar.

A. Erhöhung der Auflösung durch analoge Auswertung der Encoder-Signale entsprechend dem Stand der Technik bei hochwertigen Glasmaßstäben. Dies erfordert eine A/D-Wandlung der Signale und zusätzlich entweder einen relativ genauen Geber oder eine aufwendige (digitale) Korrektur der Signale.

Das Encoder-Signal dient dabei nur zur adaptiven Nachführung von Parametern, die die Art der Korrektur beeinflussen, und ist daher bezüglich Zeit- und Winkelauflösung sehr unkritisch. Auch genügt für ein solches Verfahren (im Gegensatz zu A und B) eventuell ein Encoder mit nur einem einzigen Kanal. Als Nachteil ist jedoch anzusehen, daß Störungen der Regelstrecke nur insoweit ausgeglichen werden können, wie sie von den Korrektur-Parametern erfaßt werden können. Dies gilt zwar relativ gut für

- die eingangs erwähnten, elektromagnetisch bedingten Nichtlinearitäten
- Unwucht-bedingte Winkelabweichungen

jedoch nicht für

- stochastische Störungen (z. B. Stick-Slip-Verhalten)
- lokale Störungen ("Hänger")

Die vorliegende Erfindung entspricht dem Verfahren C. Nach den bisherigen Erfahrungen mit Schrittmotor-Direktantrieben dominieren die periodischen Nichtlinearitäten gegenüber allen anderen Störeinflüssen bei weitem, so daß auf eine Ausregelung der anderen Störungen durchaus verzichtet werden kann.

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird belegt, daß der Fehler eines einzelnen Antriebs mit nur 4 bis 5 Fourierkoeffizienten ausreichend genau zu beschreiben ist, so daß nur ein sehr geringer Speicherbedarf (RAM) für Koeffizienten benötigt wird.

1. Es wurden zunächst Messungen der tatsächlich auftretenden Winkelabweichungen von zweiphasigen Klauenpol-Schrittmotoren mit einer anschließenden Fourier-Analyse durchgeführt. Als Ergebnis ist festzustellen, daß bei diesen Abweichungen die 4. Harmonische der Ansteuerfrequenz stark dominiert (bezogen auf elektrische Zyklen, die 4. Harmonische entspricht also der Schrittfrequenz). Diese Abweichungen entsprechen dem Verlauf des Rastmomentes. Eine weitere meßbare Abweichung entspricht der 2. harmonischen Zyklen-Frequenz (halbe Schrittfrequenz), wohl verursacht durch Unsymmetrien zwischen den beiden Magnetkreisen.

Zur Korrektur der so ermittelten periodischen Abweichungen werden demnach nur 4 Fourier-Koeffizienten (a₂, b₂, a₄, b₄) benötigt.

Fig. 3 zeigt beispielhaft eine gemessene Kennlinie (Winkelfehler ΔΓ_m über Absolutwinkel Γ_el) und die rekonstruierte Kennlinie anhand der ermittelten 4 Fourier-Koeffizienten.

2. Harmonische Korrektur als klassische Steuerung

Diese Koeffizienten können nun z. B. bei der Montage bzw. Kontrolle eines elektromechanischen Systems einmalig bestimmt werden und in die Ansteuerung einprogrammiert werden (Fig. 4). Der Vorteil dieser Vorgehensweise ist, daß die Winkelerfassung nicht notwendigerweise in jedes gefertigte System eingebaut werden muß, sondern kostengünstig vorzugsweise nur einmalig in der Prüfeinrichtung. Als Nachteil steht dem jedoch gegenüber, daß Drifts in den tatsächlichen Koeffizienten (Temperatur, Versorgungsspannung, Alterung) nicht erfaßt werden können.

3. Harmonische Korrektur als adaptive Steuerung

Bei der adaptiven Ausführung für jedes einzelne System ist mindestens ein einfacher Encoder erforderlich (Fig. 5). Das System ist dann mit der geeigneten Software in der Lage, die Koeffizienten selbst anzupassen, wofür in der Praxis maximal eine Zeigerumdrehung erforderlich ist. Sämtliche Drifts der periodischen Störungen werden dann ständig erfaßt und die Korrektur-Koeffizienten entsprechend angepaßt; dadurch ergibt sich eine über die Lebensdauer optimale Korrektur. Über die Auswertung der ständig erfaßten Abweichungen ist vorteilhaft eine gewisse Eigendiagnose des Systems möglich.

Der Encoder kann gleichzeitig für die Detektion des Nullpunktes genutzt werden, z. B. in Verbindung mit einem Anschlag.

4. Korrektur der Hysterese

Der beschriebene Schrittmotor-Typ hat prinzipbedingt eine gewisse Hysterese, typisch etwa 1°. Diese Hysterese kann bei beiden Korrektur-Prinzipien berücksichtigt werden, wobei eine eventuelle Überkompensation bei der klassischen Steuerung zu extrem unruhigem Zeigerlauf führt. Bei der adaptiven Steuerung kann auch die Hysterese ständig nachgemessen und entsprechend korrigiert werden.

In jedem Fall könnte es zweckmäßig sein, die reale Abhängigkeit der Hysterese vom Reversierwinkel - bedingt durch die magnetische Hysterese - durch ein einfaches mathematisches Modell nachzubilden.

5. Praktische Realisierungsmöglichkeiten

Die beschriebenen Korrekturverfahren wurden für einen Mikrocontroller programmiert und in Verbindung mit einer Pulsweitenmodulation (PWM-Ansteuerung) für die Ansteuerung des Schrittmotors verwendet. Für die Umsetzung der Verfahren mit der begrenzten Rechenleistung preiswerter Prozessoren empfehlen sich einige softwareseitige Maßnahmen:

- Abb. der Abweichungen und Korrekturkoeffizienten auf Integer-Größen mit max. 8 bit Wortbreite durch geeignete Skalierung
- Berechnung der Winkelfunktionen über entsprechende Tabellen
- Berechnung der Fourier-Koeffizienten und daraus der Korrekturwerte für einen kompletten elektrischen Zyklus nur in größeren Zeit- bzw. Winkelintervallen (z. B. 100 ms oder 15°), Ablegen der Korrekturwerte in einer Tabelle
- evtl. lineare Interpolation innerhalb bestimmter Winkelbereiche
- Bei großen Winkelgeschwindigkeiten kann die adaptive Komponente deaktiviert werden. Damit wird zum einen Rechenzeit gespart, die mit steigender Winkelgeschwindigkeit zunehmend kritisch wird; zum anderen ist die Gültigkeit der statischen Korrektur-Kennlinie bei hohen Winkelgeschwindigkeiten nicht mehr ausreichend gewahrt.
- Bei sehr hohen Winkelbeschleunigungen sollte die adaptive Komponente ebenfalls deaktiviert werden, weil wiederum die Gültigkeit der Kennlinie beeinträchtigt ist.

Ergänzende Überlegungen

Bei den vorgesehenen einfachen Encodern besteht prinzipiell noch das Problem, daß auch deren Signale mit systematischen Fehlern behaftet sind, die zudem mit der Temperatur und Alterung stark driften. Zur Kompensation dieser Fehler wären folgende Verfahren verwendbar:

A. Verwendung der Mittelwerte zweier benachbarter Schaltpunkte SP eines Encoder-Kanals A statt der Schaltpunkte selbst; dadurch wird der größte Teil der (symmetrischen!) Drifts in einfacher Weise eliminiert (Fig. 6a). Dieses Verfahren wäre bei einer klassischen Regelung nicht anwendbar, weil der korrigierte Meßwert (Mittelwert einer vergangenen und einer zukünftigen Messung) erst zeitlich versetzt ermittelt werden kann. Als Winkelbasis für die Mitteilung kann z. B. der elektrische Winkel Γ_el verwendet werden, dessen Auflösung im Sinne der Erfindung wesentlich über der des Encoders liegt. Die Anwendung dieses Verfahrens setzt voraus, daß die Teilung des Encoders nicht der Periode einer Abweichung oder einem Vielfachen davon entspricht.
B. Dieses Verfahren kann dahingehend modifiziert werden, daß aus der gemittelten Länge der High- bzw. Low-Perioden des Encoder-Signals ein Korrekturwert für die Flanken bestimmt und jeweils bei der Auswertung berücksichtigt wird (Fig. 6b).
C. Als Verallgemeinerung dieser beiden einfachen Verfahren könnte bei geeigneter Abstimmung der Encoder-Teilung auf die Schrittwinkel des Motors ein Korrelationsverfahren angewendet werden, das aus einem überstrichenen Winkelbereich sowohl die Fehler des Schrittmotors als auch die des Encoders berechnet.

Theoretische Betrachtungen zum Ausführungsbeispiel

Im folgenden werden die theoretischen Grundlagen der Kompensation von periodischen Abweichungen bei Regelstrecken allgemein dargelegt.

Die Regelstrecke mit der Übertragungsfunktion F_s setzt sich hier zusammen aus dem Schrittmotor 3 mit der Ansteuerung 2 und dem mechanischen System aus Welle, Zeiger 8 und Codescheibe 6 (vgl. Fig. 1). Dabei resultieren die zu kompensierenden Nichtlinearitäten praktisch ausschließlich aus der Übertragungsfunktion des Motors 3.

Kennt man die Streckenübertragung F_s hinreichend genau, kann theoretisch durch Vorschalten der inversen Streckenübertragung F_s ^-1 die angestrebte Gesamt-Übertragung Γ_m/Γ′_el ≡ 1 erzeugt werden. (Sofern nichts anderes angegeben, werden die Winkel Γ_el′, Γ′_el in den Einheiten des mechanischen Winkels Γ_m (esteps) ausgedrückt). Unter den oben gemachten Voraussetzungen ist eine Regelung im Grenzfall also nicht notwendig.

Da aber
- die Streckenübertragung nicht beliebig genau ermittelt werden kann
- unabhängig davon die inverse Streckenübertragung F_s ^-1 nicht analytisch bestimmt bzw. zwar bestimmt, aber nicht exakt realisiert werden kann, die Eigenschaften von F_s und damit von F_s ^-1 sich zeitlich ändern können (z. B. Temperatureinflüsse, Alterung), wird in der praktischen Anwendung eine Rückführung notwendig, die im weitesten Sinn als Regelung bezeichnet werden kann (Fig. 8):

Daraus kann folgendes Vorgehensschema abgeleitet werden:

1) Aufnahme der Streckeneigenschaften
2) (Näherungsweise) Berechnung der inversen Streckenübertragung F_s ^-1
3) Nachführung der Parameter von F_s ^-1 anhand der Regelabweichung Γ′_el - Γ_m im Betrieb mittels eines geeigneten Algorithmus.

Für den betrachteten Dynamikbereich genügt eine hinreichend genaue Erfassung der statischen Winkelabweichung. Diese Kennlinie muß also erfaßt, daraus eine modifizierte Ansteuerung berechnet und ein Algorithmus zur Veränderung dieser Modifikation aus dem Betriebsverhalten angegeben werden.

Eine wichtige Randbedingung ist dabei, daß die modifizierte Ansteuerung F_s ^-1 eine ausreichend geglättete Funktion ist, daß also zufällige Fehler ausgemittelt werden, da der Zeigerlauf sonst unnötig unruhig wird (Fig. 8).

Zur Erfüllung dieser Bedingungen wird die Fouriertransformierte der Winkelabweichung nach Fig. 12 berechnet. Da die Periodendauer der Grundschwingung und der Oberwellen bekannt ist, genügt die Entwicklung der Abweichung ΔΓ_m in eine Fourier-Reihe. Für eine Entwicklung bis zur K-ten Oberschwingung sind (2K + 1) Abtastwerte erforderlich. In einem Rechenprogramm werden N = 64 Abtastwerte pro elektrischer Periode aufgenommen, obwohl die Fourier-Reihe nur bis zur fünften Oberschwingung entwickelt wird. Dadurch wird eine Approximation der Kurve im Sinne der Methode der kleinsten Quadrate erzielt (Mittelung). Ein weiterer Grund für N = 64 liegt in der Reduzierung der erforderlichen Multiplikationen/Divisionen während des Programmablaufs. Der Fehler wird dabei in der Einheit ′esteps′ angegeben. Aus der Abtastung einer elektrischen Periode wurde z. B. folgender Abtastsatz ermittelt:

(Für beide Drehrichtungen des Motors ist je ein Abtastsatz zu ermitteln).

Berechnung der Fourierkoeffizienten a_k, b_k (= Fourieranalyse):
Γ_el (n) = n _* 32 (Γ_el in ssteps, sin-Auflösung: 2048 ssteps)

N: Zahl der Abtastwerte
K: max. Oberwellenindex

Aus dem Beispielabtastsatz folgt damit:

Zur Veranschaulichung ist in Fig. 9 die Amplitude

aufgetragen.

Die Rekonstruktion der periodischen Funktion ΔΓT_μ (Γ_el) ermöglicht Glchg. (4.2.1) (= Fouriersynthese):

Für eine ausreichend genaue Rekonstruktion genügen dabei die Koeffizienten für die k-Werte 0, 2, 4, wie ein Vergleich der ursprünglichen mit der so rekonstruierten Abweichung (Fig. 3) zeigt: Die gesamte Abweichungsinformation ist damit in den 5 Koeffizienten enthalten, die bei einer Realisierung als Programm entsprechend wenig RAM-Speicherplatz benötigen (5 Bytes bei Abspeicherung als signed char).
Ausgehend von der Abweichung kann nun eine modifizierte Ansteuerung (F_s ^-1) angegeben werden:
Drückt man voraussetzungsgemäß den elektrischen Winkel in esteps aus, ergibt sich Gleichung (4.2.2):

Γ_m = Γ_el + ΔΓ_m (T_el) (4.2.2)

Gewünscht wird ein Gesamtverhalten des Motors, das beschrieben werden kann durch

Γ_m = Γ′_el (4.2.3)

also ein proportionaler Zusammenhang zwischen dem (vorzugebenden) Winkel Γ′_el und dem resultierenden Winkel Γ_m.

Γ′_el = Γ_el + ΔΓ_m (Γ_el) (4.2.4)

Aus einem vorzugebenden Winkel Γ′_el müßte also aus (4.2.4) die tatsächliche Ansteuerung F_el ermittelt werden, dann wäre Gleichung (4.2.3) erfüllt. Dies erfordert die Berechnung der Umkehrfunktion zu (4.2.4).

Γ′_el = f(Γ_el) → Γ_el = f^-1 (Γ′_el)

Die UF existiert zwar, (Eineindeutigkeit), kann aber analytisch nicht bestimmt werden.

Eine Näherungslösung könnte z. B. mit iterativen Verfahren berechnet werden.

Im Hinblick auf eine Realisierung ist dieses rechen- und damit zeitintensive Verfahren wenig geeignet. Günstiger erscheint deshalb eine Näherungslösung, bei der gesetzt wird:

ΔΓ_m(Γ_el) ≈ ΔΓ_m (T′_el) (4.2.5)
damit folgt aus Glchg. (4.2.4)
Γ′_el = Γ_el + ΔΓ_m (T′_el) (4.2.6)

Bei gegebenem Γ′_el kann damit der Ansteuerwert Γ_el auf einfache Weise berechnet werden. Da für diese Ansteuerung aber nicht die UF berechnet wird, erzeugt dieses Verfahren einen prinzipiellen Restfehler:
Glchg. (4.2.2):

Γ_m = Γ_el + ΔΓ_m (Γ_el)

Einsetzen von Glchg. (4.2.6):

Γ_m = Γ′_el - ΔΓ_m (Γ′_el) + ΔΓ_m (Γ′_el - ΔΓ_m (Γ′_el)) (4.2.7a)
also:
Γ_m = Γ′_el + rf (Γ′_el) (4.2.7b)

neben dem gewünschten Proportionalterm Γ′_el tritt also auf der rechten Seite der Glchg. (4.2.7) noch der Restfehler rf(Γ′_el) auf:

rf(Γ′_el) = -ΔΓ_m (Γ′_el) + ΔΓ_m (Γ′_el -ΔΓ_m (Γ′_el))

rf (Γ′_el) kommt also dadurch zustande, daß die Fehlerfunktion ΔΓ_m (Γ_el) einerseits an der Stelle Γ′_el, andererseits an der modifizierten Stelle Γ′_el - ΔΓ_m(Γ′_el) ausgewertet und die Differenz der beiden Funktionswerte gebildet wird.

→ rf (Γ′_el) « ΔΓ_m (ΔΓ′_el),

womit die prinzipielle Tauglichkeit des Verfahrens gezeigt ist. Aufschlüsse über die Güte des Verfahrens können mit Hilfe einer Simulation gewonnen werden. In den Fig. 10 und 11 sind die Matrix-Simulationsergebnisse für den Winkelfehler sowie für die Winkelgeschwindigkeit (W_soll = 0,5 rad/s) bei korrigierter und nicht-korrigierter Ansteuerung aufgetragen.

Adaptive Komponente

Das zuletzt besprochene Verfahren geht von der Annahme aus, daß die Winkelfehlerkennlinie - auch über längere Zeiträume - konstant bleibt. Bei einem realen Motor besteht jedoch die Möglichkeit, daß sich die Kurve infolge verschiedener Einflüsse (z. B. Temperatur, Alterung) ändert. Um die Ansteuerung immer optimal zu halten, muß diese Änderung berücksichtigt werden. Dafür bieten sich prinzipiell 2 Möglichkeiten an.

1) gesteuerte Nachführung der Koeffizienten a_k, b_k

Kennt man alle relevanten Einflüsse sowie die Abhängigkeit der Fehlerkurve von diesen Einflüssen, kann eine gesteuerte Nachführung der Koeffizienten a_k, b_k durch Sensordaten erfolgen (z. B. Temperaturfühler), die eventuell ohnehin vorliegen.

2) Echtzeiterfassung und -verarbeitung der verbleibenden Fehlerkurve, die sich bei Ansteuerung mit den korrigierten Werten ergibt, wodurch eine ständige Modifikation der Koeffizienten a_k, b_k erfolgt

Vorschlag 2 entspricht der vorliegenden Erfindung gemäß Fig. 5, die regelungstechnische Struktur zeigt (Fig. 8). Bei der Realisierung müssen verschiedene Aspekte berücksichtigt werden:

1) Es ist im Betrieb nicht möglich, periodisch eine Neuaufnahme der Fehlerkennlinie durchzuführen, da dies die Ansteuerung mit nicht korrigierten Werten bedeuten würde.

2) Im Betrieb ist ständig eine Drehrichtungsumkehr möglich, d. h. es kann auch bei korrigierter Ansteuerung nicht davon ausgegangen werden, daß eine elektrische Periode vollständig durchlaufen und daraus eine Gesamt-Korrektur errechnet werden kann. Vielmehr müssen einzelne, isolierte Meßwerte der ′Regelabweichung′ so verarbeitet werden, daß sich eine Nachführung der Ansteuerkorrektur ergibt.

Dazu wird folgendes Verfahren vorgeschlagen:
Wenn im Betrieb ein elektrischer Winkel angesteuert wird, bei dem bei der ursprünglichen Aufnahme der Fehlerkurve ein Abtastwert gebildet wurde, wird zunächst die Regelabweichung diff = Γ′_el - Γ_m (in esteps) gebildet. Sei n der Index des Abtastwertes, l die Laufvariable für den Zustand nach der l-ten Änderung, dann gilt:

ΔΓ_m(n)^l+1 ≈ ΔΓ_m(n)^l + diff(n)

entsprechend obigen Überlegungen. Daraus folgt die Modifikation des k-ten Koeffizienten durch den n-ten Abtastwert:

a_k ⁱ⁺¹ = a_k ^l + 2/N _* (-ΔΓm(n)^l _* cos(k _* Γ_el(n)) + ΔΓ_m(n)^l+1 _* cos(k_* Γ_el(n))
= a_k ^l + 2/N _* diff(n) _* cos(k _* Γ_el(n)) (4.2.8a)

entsprechend gilt für b_k ^l+1:

b_k ^l+1 = b_k ^l + 2/N diff(n) _* sin(k _* Γ_el(n)) (4.2.8b)

Die Kenntnis des letzten Fehlerwertes ΔΓ_m(n)¹ ist also nicht notwendig.

Damit sind einfache Verfahren zur Modifikation der Koeffizienten a_k, b_k, gefunden.

Durch günstige Wahl von Parametern und Skalierungsfaktoren können im Programm ADAP zwei der drei in Glchg. (4.2.8a, b) vorhandenen Multiplikationen sowie die Division eingespart werden. Zum Nachweis der Tauglichkeit des Verfahrens können im Programm alle Koeffizienten a_k, b_k sowie alle Abtastwerte mit 0 vorbelegt werden, wodurch sich anfänglich eine Ansteuerung mit nicht korrigierter Kurve ergibt. Im Verlauf des Durchfahrens einiger elektrischer Perioden werden die Koeffizienten a_k, b_kund damit die modifizierte Ansteuerung F_s ^-1 vom Programm selbsttätig ermittelt, der Zeigerlauf ist dann identisch wie bei Durchführung des ursprünglichen Verfahrens, bei dem zunächst die Fehlerkurve insgesamt abgetastet und fouriertransformiert wurde und damit das Adaptationsverfahren erst bei Ansteuerung mit bereits korrigierten Werten wirksam werden konnte.

Abschließend sei noch einmal darauf hingewiesen, daß grundlegend das betrachtete Adaptationsverfahren für einen niedrigeren Dynamikbereich verwendbar ist. Wird der Motor in einem höheren Dynamikbereich betrieben, gewinnen die dynamischen Momente zunehmend Einfluß auf das Motorverhalten und dürfen deshalb nicht mehr unberücksichtigt bleiben. Für diesen Bereich sollte deshalb der adaptive Teil des Verfahrens stillgelegt werden.

Claims

1. Verfahren zur Mikroschrittansteuerung eines Schrittmotors, vorzugsweise eines Klauenpol-Schrittmotors, mit einer Steuerung, die Strom- bzw. Spannungsimpulse als Impulsfolge mit sinusähnlichem Verlauf an den Schrittmotor abgibt, wodurch der Rotor des Schrittmotors sich in Mikroschritten weiterdreht, dadurch gekennzeichnet, daß der mechanische Drehwinkel (Γ_m) des Schrittmotors (3) mittels eines Winkelgebers (Encoders) (4) erfaßt wird, daß die Steuerung (1) die Differenz (ΔΓ_m) zwischen dem elektrischen Phasenwinkel (Γ_el) und dem mechanischen Drehwinkel (Γ_m) des Schrittmotors (3) bildet und daß die Steuerung (1) aus der Differenz (ΔΓ_m) nach einem vorgegebenen Algorithmus ein korrigiertes Signal für den Schrittmotor (3) bildet, das für den weiteren Betrieb des Schrittmotors (3) verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Winkelgeber (4) mit einer relativ geringen Auflösung verwendbar ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung das korrigierte Signal aus den Fourier-Koeffizienten der Winkeldifferenz (ΔΓ) bildet.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung einen Speicher (41) für Fourierkoeffizienten aufweist.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Koeffizienten einmalig bestimmt und in den Speicher der Steuerung (1) abgelegt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkelgeber (4) die mechanischen Drehwinkel (Γ_m) während des Betriebs des Schrittmotors (3) laufend erfaßt und daß die Steuerung aus den erfaßten Drehwinkeln entsprechende Korrektur-Koeffizienten bildet und in einen Koeffizientenspeicher (41) schreibt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkelgeber (4) einen Nullpunkt des Schrittmotors (3) erfaßt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung Korrektur-Koeffizienten für die Kompensation der Hysterese des Schrittmotors (3) enthält.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektur-Koeffizienten für die Hysterese unter Verwendung der Meßdaten des Winkelgebers (4) im Betrieb verändert werden.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schrittmotor (3) für ein Anzeigegerät vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug verwendbar ist.