DE4417000C2 - Schrittmotor-Steuereinheit - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schrittmotor-Steuereinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (JP 61-138855) zum Beschleunigen und Abbremsen eines Schrittmotors, um den Schrittmotor an einer sich ständig ändernden Ziel-Stopposition zu positionieren. Ins­ besondere bezieht sich die Erfindung auf eine Schrittmotor- Steuereinheit, mittels der Vibrationen verringerbar sind, die auf ein wiederholtes Beschleunigen und Abbremsen des an sie angeschlossenen Schrittmotors zurückzuführen sind.

In letzter Zeit wurden Motorkonzepte entwickelt, bei denen die Drosselklappen von Fahrzeugmotoren unter Verwen­ dung von Schrittmotoren elektronisch gesteuert werden. Diese Schrittmotoren arbeiten im jeweiligen Fahrzeug in Verbindung mit Schrittmotor-Steuereinheiten, die intensiv zur Steuerung der Betätigung bzw. Inbetriebnahme und des Aashaltens dieser Motoren verwendet werden.

In diesem Zusammenhang ist es erforderlich, den Öff­ nungsgrad jeder Drosselklappe so zu steuern, daß er dem Be­ tätigungsmaß des Gaspedals nachgeführt wird bzw. zu diesem proportional ist. Dieses Erfordernis wird durch eine Schrittmotor-Steuereinheit erfüllt, die zunächst unter Ver­ wendung eines Potentiometers oder dergleichen das Betäti­ gungsmaß des Gaspedals mißt. Der jeweilige Meßwert des Po­ tentiometers wird in vorbestimmten Zeitabständen abgetastet und von einem analogen in ein digitales Format umgesetzt, um als Ziel- bzw. Sollwert zu dienen. Die Steuereinheit steuert die Stopp- bzw. Halteposition des Schrittmotors in Übereinstimmung mit dem Sollwert, wodurch der Öffnungsgrad jeder Drosselklappe gesteuert wird.

Der Unterschied zwischen einer zur Steuerung der Stopp­ position des Schrittmotors für die Steuerung eines Drossel­ klappen-Öffnungsgrads verwendeten Schrittmotor-Steuerein­ heit und einer gewöhnlichen Schrittmotor-Steuereinheit wird nachfolgend erläutert. Zum einen ändert sich das Ausmaß der Betätigung des Gaspedals mit dem jeweiligen Betriebszustand des Fahrzeugs ständig. Zum anderen ist es erforderlich, den Öffnungsgrad der Drosselklappen im Ansprechen auf das Aus­ maß der Betätigung des Gaspedals möglichst schnell nachzu­ steuern. Ein wesentliches Erfordernis der gattungsgemäßen Steuereinheit liegt somit darin, den Schrittmotor in Über­ einstimmung mit einem vorbestimmten Geschwindigkeitsmuster so präzise wie möglich in Betrieb zu setzen und an seiner vorgesehenen Soll-Stopposition anzuhalten.

Der Bedarf an Steuereinheiten, mittels denen das Betä­ tigungsmaß des Gaspedals unter Verwendung eines Schrittmo­ tors elektronisch gesteuert werden kann, nimmt derzeit zu. Eine derartige Steuereinheit zum Ansteuern eines Schrittmo­ tors für das Öffnen und Schließen von Drosselklappen ist beispielsweise in der japanischen Patentoffenlegungsschrift 138855/1986 beschrieben. Bei der dort offenbarten Schritt­ motor-Steuereinheit wird der durch das Gaspedal angegebene Sollwert mit dem momentanen Wert bzw. Istwert des Schritt­ motors verglichen, wobei die Umdrehungen des Schrittmotors in Übereinstimmung mit einer im voraus gespeicherten Tabel­ le gesteuert werden, wenn eine Differenz zwischen diesen beiden Werten vorliegt.

Herkömmliche Schrittmotor-Steuereinheiten der vorste­ hend beschriebenen Art leiden an zwei wesentlichen Nachtei­ len, die nachstehend näher erläutert werden.

Zunächst soll auf den ersten dieser beiden Nachteile eingegangen werden. Die Schrittmotor-Steuereinheit tastet den gemessenen Wert aus dem Potentiometer, mittels dem das Betätigungsmaß des Gaspedals gemessen wird, in vorbestimm­ ten Zeitabständen bzw. Intervallen ab. Der Schrittmotor wird so angesteuert, daß er sich dem auf diese Weise abge­ tasteten Sollwert annähert. Wenn der Sollwert konstant wird, wird der Schrittmotor gestoppt. Üblicherweise wird der Schrittmotor dadurch so schnell wie möglich zu seinem Sollwert bzw. zur Sollposition hin gedreht, daß der Motor beim Start seiner Drehung beschleunigt und abgebremst bzw. verzögert wird, wenn der Sollwert erreicht ist. Der Vorgang des wiederholten Beschleunigens und Abbremsens des Schritt­ motors führt in der Regel dazu, daß das vom Schrittmotor angetriebene System einschließlich der Drosselklappen eine klopfende Vibration erzeugt. Diese Vibration destabilisiert die Drosselklappen-Positionen, was dazu führt, daß die Durchflußrate bzw. -menge des dem Motor zugeführten Ansaug­ gemisches instabil wird. Als Folge davon ist es möglich, daß die Geschwindigkeit des Fahrzeugs nicht mit dem durch das Betätigungsmaß des Gaspedals vorgegebenen Wert überein­ stimmt.

Anhand der in Fig. 6 dargestellten Kennlinie wird nun­ mehr schematisch erläutert, wie eine herkömmliche Schritt­ motor-Steuereinheit den Schrittmotor ansteuert, wobei der Schrittmotor eine Vibration erzeugt. In Fig. 6 sind mit dem Bezugszeichen M diejenigen Änderungen im Sollwert bezeich­ net, die mittels des Potentiometers aus dem Betätigungsmaß des Gaspedals erhalten, in Intervallen mit einer vorbe­ stimmten Abtastzeit A als analoge Daten abgetastet und vom analogen in ein digitales Format umgewandelt werden. Die Abtastzeit A beträgt gewöhnlich ungefähr 6 Millisekunden, die unter Berücksichtigung der Rechenprozesse bzw. Tasks einer Zentraleinheit bzw. CPU, die eine Hauptfahrzeugsteue­ rung durchführt und ebenso die verschiedenen vorhandenen Hilfsgeräte steuert, festgelegt wird.

Mit dem Bezugszeichen P ist der momentane Schritt (Drehposition) bezeichnet, in dem sich der Schrittmotor be­ findet. Der momentane Schritt P wird gemäß der Darstellung in Fig. 6 Schritt für Schritt geändert. Mit dem Bezugszei­ chen MSPD ist der Zustand bzw. Verlauf von an den Schritt­ motor angelegten Ansteuerimpulsen bezeichnet. Genauer ge­ sagt ergibt sich der Verlauf dieser Ansteuerimpulse aus ei­ ner Ansteuerfrequenz und einer Erregungszeit bzw. Ein­ schaltzeit. Die Ansteuerfrequenz und die Erregungszeit je­ der der dem Motor zugeführten Signalzustände bzw. Impulse sind beispielsweise in der in Fig. 5 gezeigten Tabelle dar­ gestellt. Der durch diese zwei Werte festgelegte Signalzu­ stand wird durch die Differenz zwischen dem Sollwert und der momentanen Position des Schrittmotors bestimmt.

Wenn sich der Wert von M während des Betriebs ändert, tritt zwischen dem Sollwert und der momentanen Position des Schrittmotors eine Differenz MA auf. Der Schrittmotor wird daraufhin von MSPD = 1 auf MSPD = 2 beschleunigt, um die Differenz MA zu beseitigen. Wenn sich die momentane Positi­ on des Schrittmotors dem Sollwert annähert, wird der Schrittmotor von MSPD = 2 auf MSPD = 1 abgebremst bzw. ver­ zögert, um die beim Anhalten des Motors auftretende Vibra­ tion zu verringern.

Wie aus der in Fig. 5 gezeigten Tabelle ersichtlich ist, nimmt die Gesamtzeit B, während der der Schrittmotor auf die vorstehend beschriebene Weise beschleunigt und abge­ bremst wird, einen Wert von 6,858 ms an, wie dies aus Fig. 6 hervorgeht. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Erre­ gungszeit bei MSPD = 1 eine Dauer von 2000 µs (2 ms) und bei MSPD = 2 eine Dauer von 1429 µs (1,429 ms) aufweist.

Es ist aus Messungen bekannt, daß die von der vorste­ hend beschriebenen Schrittmotor-Steuereinheit angesteuerten Drosselklappen periodische Klopfvibrationen erzeugen, wie dies in Fig. 6 durch die mit S bezeichnete Kurve angedeutet ist. Diese Klopfvibration der Drosselklappen destabilisiert ihre jeweilige Position und führt somit dazu, daß die Durchflußrate des dem Motor zugeführten Ansauggemisches in­ stabil wird. Als Folge davon ist es möglich, daß die Ge­ schwindigkeit des Fahrzeugs mit dem durch das Betätigungs­ maß des Gaspedals vorgegebenen Wert nicht übereinstimmt.

Wenn die Klopfvibration des Schrittmotors ein beträcht­ liches Ausmaß erreicht hat, kann sie zu einem Außerschritt- Zustand führen, bei dem der Schrittmotor nicht mehr in der Lage ist, den Befehlsimpulsen zu folgen. Auch ein derarti­ ger Zustand hindert das Fahrzeug daran, seine Geschwindig­ keit mit dem durch das Gaspedal vorgegebenen Wert in Über­ einstimmung zu halten.

Nachfolgend wird auf den zweiten der vorstehend erwähn­ ten beiden Hauptnachteile einer herkömmlichen Schrittmotor- Steuereinheit eingegangen. Wenn die Schrittmotor-Steuerein­ heit den Schrittmotor anhält bzw. stoppt, vibriert das vom Schrittmotor angesteuerte System noch für einige Zeit, was somit dazu führt, daß die Durchflußrate des dem Motor zuge­ führten Ansauggemisches für eine bestimmte Zeitdauer insta­ bil wird. Dies führt ebenfalls zu dem fehlerhaften Zustand, daß die Fahrzeuggeschwindigkeit nicht mit dem vom Gaspedal vorgegebenen Wert übereinstimmt.

Wenn beispielsweise die Drehrichtung des Schrittmotors umgeschaltet werden muß, ist es bei einer herkömmlichen Schrittmotor-Steuereinheit zur Vermeidung der vorgenannten Nachteile erforderlich, die Drosselklappen auf die Soll- Stopposition einzustellen und dort für mindestens 20 bis 30 ms zu belassen, bevor die Drehrichtungsumkehr stattfindet. Diese Korrekturmaßnahme ruft notwendigerweise eine Verzöge­ rung bei der Nachführung bzw. Regelung auf, wenn Änderungen in dem vom Gaspedal vorgegebenen Wert auftreten.

Aus dem Aufsatz von Wiedemann, Kellenberger: Konstruk­ tion elektrischer Maschinen, Springer-Verlag, Berlin/Hei­ delberg/New York, 1967, Seiten 510-513, ist es bekannt, daß in einem Antriebssystem, welches aus einer herkömmli­ chen elektrischen Antriebsmaschine und einem damit ange­ triebenen Teil gebildet ist, immer dann harmonische Vibra­ tionen auftreten, wenn die Erregerfrequenz der Eigen­ frequenz entspricht.

Des weiteren ist es aus der DE 35 13 791 A1 und der DE 23 33 129 A1 bekannt, bei im Start-Stop-Betrieb arbei­ tenden Schrittmotoren Resonanzerregung durch Frequenzmodu­ lation bzw. Phasenschiebung zu dämpfen. Nicht bekannt dage­ gen ist es, die Abtastzeit so zu wählen, daß die ihr ent­ sprechende Frequenz nicht mit der Eigenfrequenz des An­ triebssystems zusammenfällt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Aus­ schaltung der vorgenannten Nachteile herkömmlicher Geräte eine Schrittmotor-Steuereinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, mittels der das Auftreten von Klopfvibrationen minimiert werden kann, wenn der an sie an­ geschlossene Schrittmotor periodisch beschleunigt und abge­ bremst wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Kenn­ zeichnungsteil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen ge­ löst.

Die Erfindung schlägt demgemäß eine Schrittmotor-Steu­ ereinheit vor, die folgende Einrichtungen aufweist:
eine Abtasteinrichtung, die in In­ tervallen einer vorbestimmten Abtastzeit einen Sollwert abtastet, der eine Drehposition darstellt, an der ein in ein Antriebssystem, das eine bestimmte Eigenfrequenz auf­ weist, eingebauter Schrittmotor seine Drehung beendet, wenn die vorbestimmte Abtastzeit abgelaufen ist, wobei sich der Sollwert über der Zeit ändert; und
eine Schrittmotor-Beschleunigungs- und Verzögerungs­ einrichtung, die den Schrittmotor bei Ermittlung einer Differenz zwischen dem abgetasteten Sollwert und der momentanen Drehposition des Schrittmotors beschleunigt und den Schrittmotor derart abbremst, daß dieser beim Sollwert gestoppt wird, wenn sich die Drehposition dem Sollwert annähert; wobei
die vorbestimmte Abtastzeit aus einer periodischen Zeit gewählt ist, aus der diejenige Zeitdauer ausgenommen ist, die entweder der Eigenfrequenz des Antriebssystems oder derjenigen Frequenz entspricht, die sich durch Multi­ plikation der Eigenfrequenz des Antriebssystems mit einer Bruchzahl ergibt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt die Eigenfrequenz des vom Schrittmotor angetriebenen Systems in einem Bereich von 150 bis einschließlich 180 Hz und die periodische Zeit liegt in einem Bereich, aus dem der der Eigenfrequenz entsprechende Bereich von 5,5 ms bis 6,8 ms ausgenommen ist, wobei die periodische Zeit vorzugs­ weise auf einen Bereich von 6,8 ms bis 11,0 ms eingestellt wird.

Im Betrieb betätigt der erfindungsgemäße Schrittmotor die Drosselklappen des Motors über ein vom Schrittmotor an­ getriebenes System. Entsprechende Versuche belegen, daß die Resonanz- bzw. Eigenfrequenz des vom Schrittmotor angetrie­ benen Systems einschließlich der Drosselklappen und des Schrittmotors in den Bereich von 150 bis 180 Hz fällt. Die Abtasteinrichtung der Schrittmotor-Steuereinheit tastet den Sollwert über ein Potentiometer ab, das dasjenige Ausmaß mißt, in dem das Gaspedal über die Zeit betätigt wird. Die Schrittmotor-Beschleunigungs- und Verzögerungseinrichtung berechnet die Differenz zwischen dem abgetasteten Sollwert und der momentanen Position des Schrittmotors, beschleunigt den Schrittmotor in Übereinstimmung mit der berechneten Differenz, bremst den Schrittmotor ab, wenn sich die momen­ tane Position des Schrittmotors dem Sollwert annähert, und stoppt den Schrittmotor bei dem Sollwert. Das Beschleunigen und Abbremsen des Schrittmotors wird daher in den Interval­ len der Abtastzeit wiederholt.

Die Abtastzeit fällt nicht mit der Zeitdauer von 6,8 bis 5,5 ms zusammen, die der Eigenfrequenz des vom Schritt­ motor angetriebenen Systems entspricht. Wenn das Beschleu­ nigen und Abbremsen des Schrittmotors in den Intervallen der Abtastzeit wiederholt wird, kann somit verhindert wer­ den, daß die Drosselklappen unter Erzeugung einer Klopfvi­ bration schwingen. Dies ermöglicht es, die Drosselklappen mit hoher Präzision zu steuern, so daß die Durchflußrate des dem Motor zugeführten Luft/Brennstoff-Gemisches höchst genau gesteuert wird. Da beim Anhalten des Schrittmotors eine nur geringe Klopfvibration aus den Drosselklappen auf­ tritt, klingt die Vibration zum Stoppzeitpunkt des Motors in sehr kurzer Zeit aus. Hierdurch ist ein sehr schnelles Ansprechen auf jegliche Änderung des Betätigungsmaßes des Gaspedals gewährleistet.

Die Erfindung wird nunmehr anhand der Beschreibung ei­ nes Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 anhand eines Blockschaltbilds ein Ausführungsbei­ spiel der erfindungsgemäßen Schrittmotor-Steuereinheit;

Fig. 2 anhand eines Signaldiagramms schematisch das Ver­ fahren der Ansteuerung eines in Fig. 1 gezeigten Schrittmo­ tors;

Fig. 3 anhand eines Flußdiagramms die prinzipielle Ar­ beitsweise eines von der Schrittmotor-Steuereinheit durch­ geführten Steuerungsablaufs;

Fig. 4 eine Tabelle typischer Erregungsmuster des Schrittmotors;

Fig. 5 eine Tabelle typischer Ansteuerimpulse zum Be­ schleunigen und Abbremsen eines Schrittmotors; und

Fig. 6 anhand eines Kurvendiagramms die Art und Weise der von einer herkömmlichen Schrittmotor-Steuereinheit durchgeführten Ansteuerung eines Schrittmotors.

In Fig. 1 ist anhand eines Blockschaltbilds ein Ausfüh­ rungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schrittmotor-Steue­ rungseinheit dargestellt. Gemäß Fig. 1 ist ein für ein Fahr­ zeug vorgesehener Benzinmotor 11 mit einem Ansaugrohr 13 verbunden, das eine Mischung aus Benzin und Luft führt. Das Ansaugrohr 13 ist mit einer Drosselklappe 12 ausgerüstet, mittels der die Durchflußrate bzw. Durchflußmenge des dem Benzinmotor 11 zugeführten Luft/Brennstoff-Gemisches einge­ stellt werden kann, wobei die Drosselklappe 12 an einer Drosselklappenwelle 14 drehbar gelagert ist. Die Drossel­ klappenwelle 14 ist über ein Untersetzungsgetriebe mit der Ausgangs- bzw. Abtriebswelle eines Schrittmotors 15 verbun­ den.

Der Schrittmotor 15 ist an eine in einer Schrittmotor- Steuereinheit 17 befindlichen Schrittmotor-Ansteuerschal­ tung 18 angeschlossen. Die Ansteuerschaltung 18 ist ihrer­ seits an eine Zentraleinheit bzw. CPU 19 angeschlossen, die als Betriebsablauf-Steuereinheit arbeitet. Die CPU 19 ist an einen zur zeitweiligen Aufnahme von Daten vorgesehenen Schreib/Lese-Speicher bzw. an ein RAM 23 sowie an einen Festwertspeicher bzw. an ein ROM 22 angeschlossen, in dem Steuerprogramme und andere Quelldaten gespeichert sind.

Das ROM 22 enthält ein Abtastprogramm 24, das von einem Potentiometer gemessene Beschleunigungsdaten in Zeitabstän­ den bzw. Intervallen einer vorbestimmten Abtastzeit T abta­ stet. Das ROM 22 beherbergt ferner einen Schrittmotor-Be­ schleunigungs- und Verzögerungs-Steuerungsablauf 25. Mit­ tels des Steuerungsablaufs 25 wird die Differenz zwischen dem abgetasteten Wert und der momentanen Position bzw. Ist­ position des Schrittmotors berechnet, die Ansteuerschaltung 18 dazu veranlaßt, den Schrittmotor 15 in Übereinstimmung mit der berechneten Differenz zu beschleunigen, der Schrittmotor 15 verzögert bzw. abgebremst, wenn sich seine momentane Position dem abgetasteten Wert nähert, und es wird der Schrittmotor 15 bei dem abgetasteten Wert angehal­ ten bzw. gestoppt.

Die CPU 19 ist an einen Analog/Digital-Wandler 20 ange­ schlossen, um die Beschleunigungsdaten, nämlich die über das Potentiometer 16 gemessenen analogen Daten, in ein di­ gitales Format umzusetzen. Der Analog/Digital-Wandler 20 ist über eine Eingangsschnittstelle bzw. ein Eingangsinter­ face 21 an das Potentiometer angeschlossen, um das jewei­ lige Ausmaß der Betätigung eines Gaspedals 26 zu messen.

Die den vorstehend beschriebenen Aufbau aufweisende Schrittmotor-Steuereinheit 17 arbeitet wie folgt: wenn der Fahrer des Fahrzeugs das Gaspedal 26 betätigt, mißt das Po­ tentiometer 16 das jeweilige Ausmaß der Betätigung des Gas­ pedals in Form linearer Analogdaten. Die CPU 19 nimmt diese Analogdaten aus dem Potentiometer 16 über die Eingangs­ schnittstelle 21 in Intervallen der Abtastzeit T auf. Die auf diese Weise zugeführten Daten werden vom Ana­ log/Digital-Wandler 20 von diesem analogen in ein digitales Format umgewandelt. Die digitalisierten Daten werden im RAM 23 als abgetasteter Sollwert gespeichert. Bei diesem Aus­ führungsbeispiel ist die Abtastzeit T auf beispielsweise 8 ms eingestellt.

Die Abtastzeit T ist aus folgendem Grund auf den ge­ nannten Wert von 8 ms eingestellt: Die Abtastzeit T fällt nicht mit irgendeiner Zeitdauer bzw. Periode zusammen, die der Resonanz- bzw. Eigenfrequenz des vom Schrittmotor ange­ triebenen Systems zum Betätigen der Drosselklappen 12 des Fahrzeugmotors entspricht; weiterhin fällt die Abtastzeit T nicht mit solchen Zeitdauern zusammen, die gebrochenen Vielfachen der Eigenfrequenz entsprechen. Mit anderen Wor­ ten, das vom Schrittmotor 15 angetriebene System hat eine im Bereich zwischen 150 und 180 Hz liegende Eigenfrequenz und die gebrochenen Vielfachen bzw. Bruchteile dieser Fre­ quenz erstrecken sich im Bereich von 75 bis 90 Hz und von 50 bis 60 Hz, die sich durch Multiplikation der Eigenfre­ quenz durch entsprechende Bruchzahlen (von beispielsweise 1/2 oder 1/3) ergeben. Wenn die Abtastzeit T vom Abtastpro­ gramm 24 daher beispielsweise auf den Wert von 8 ms vorein­ gestellt wird, fällt die Abtastzeit T somit nicht mit den der Eigenfrequenz (150 Hz bis 180 Hz) entsprechenden Zeit­ dauern von 6,8 bis 5,5 ms, den dem Frequenzbereich von 75 Hz bis 90 Hz entsprechenden Zeitdauern von 13,3 bis 11,1 ms oder den dem Frequenzbereich von 50 Hz bis 60 Hz entspre­ chenden Zeitdauern von 20,0 bis 16,6 ms zusammen.

In Fig. 2 ist beispielhaft dargestellt, wie der Schritt­ motor bei diesem Ausführungsbeispiel angesteuert wird. In Fig. 2 bezeichnet das Bezugszeichen TSTEP den vom Potentio­ meter 16 in Intervallen der Abtastzeit T ( = 8 ms) gemesse­ nen und vom analogen ins digitale Format umgewandelten Wert. Mit anderen Worten, bei dem Wert TSTEP handelt es sich um die Soll-Schrittposition bzw. Soll-Winkelstellung, an der der Schrittmotor zum Betätigen der Drosselklappen 12 anzuhalten ist. Mit dem Bezugszeichen STEP ist diejenige Schrittposition bzw. Winkelstellung (nachfolgend lediglich "Schritt" genannt) bezeichnet, in der sich der Schrittmotor 15 momentan befindet. Gemäß der Darstellung in Fig. 2 wird der momentane Schritt STEP Schritt für Schritt geändert. Das Bezugszeichen MSPD repräsentiert den Zustand von An­ steuerimpulsen, die dem Schrittmotor 15 zugeführt werden. Im einzelnen setzt sich jeder dieser Signalzustände bzw. Impulse aus einer Ansteuerfrequenz und einer Erregungszeit bzw. Einschaltzeit zusammen, wie dies aus der in Fig. 5 ge­ zeigten Tabelle hervorgeht.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Fig. 3 die Art und Weise des Beschleunigens und Abbremsens des Schrittmotors 15 näher erläutert. Bei Fig. 3 handelt es sich um ein Fluß­ diagramm, das die von der Schrittmotor-Steuereinheit 17 nach Maßgabe des in ihr gespeicherten Schrittmotor-Be­ schleunigungs- und Verzögerungs-Steuerungsablaufs 25 durch­ geführten Verarbeitungsschritte darstellt. Der in Fig. 3 ge­ zeigte Steuerungsablauf wird bei einer von einem Zeitgeber ausgelösten Unterbrechung (Interrupt) gestartet, wenn der Schrittmotor 15 jeden seiner Schritte beendet. In einem im Flußdiagramm mit S1 bezeichneten Steuerungsschritt wird der momentane Schritt des Schrittmotors 15 (STEP in Fig. 2) um den Wert 1 hin zum Sollschritt (TSTEP) erhöht. In einem Schritt S2 berechnet der Schrittmotor-Beschleunigungs- und Verzögerungs-Steuerungsablauf 25 die Differenz zwischen dem Sollschritt TSTEP und dem momentanen Schritt STEP des Schrittmotors 15 und betrachtet den Absolutwert der berech­ neten Differenz als eine Schrittdifferenz DSTEP.

In einem Schritt S3 wird die Schrittdifferenz DSTEP mit einem Ansteuerimpulszustand MSPD verglichen. Wenn die Schrittdifferenz DSTEP nicht größer als der Ansteuerimpuls­ zustand MSPD ist (d. h., wenn im Schritt S3 die Antwort NEIN erhalten wird), wird zu einem Schritt S4 verzweigt. Wenn die Schrittdiffernez DSTEP ungleich dem Ansteuerimpulszu­ stand MSPD ist (wenn also im Schritt S4 die Antwort NEIN erhalten wird), wird zu einem Schritt S5 verzweigt. Wenn nunmehr erkannt wird, daß die Schrittdifferenz DSTEP klei­ ner als der Ansteuerimpulszustand MSPD ist, wird der Wert von MSPD im Schritt S5 um 1 verringert. Dem Schritt S5 schließt sich ein Schritt S7 an.

Wenn der Vergleich der Schrittdifferenz DSTEP mit dem Ansteuerimpulszustand MSPD ergibt, daß DSTEP größer als MSPD ist (wenn also im Schritt S3 die Antwort JA erhalten wird), dann wird der Wert von MSPD in einem Schritt S6 um 1 erhöht. Dem Schritt S6 folgt der Schritt S7. Wenn die Schrittdifferenz DSTEP gleich dem Ansteuerimpulszustand MSPD ist (wenn also im Schritt S4 die Antwort JA erhalten wird), wird ohne jede Änderung von MSPD zum Schritt S7 ver­ zweigt.

Bei der vorliegenden Ausführungsform sei vorausgesetzt, daß ein Vierphasen-Schrittmotor verwendet wird, der in ei­ ner 1-2-Phasen-Erregungssteuerung betrieben wird. Der Schrittmotor 15 wird im Schritt S7 daher unter Verwendung des in Fig. 4 gezeigten Musters erregt, das dem niederwerti­ gen Dreibit-Wert des momentanen Schritts des Schrittmotors 15 (STEP) entspricht, der durch 8 Bits gekennzeichnet ist. Die Ansteuerfrequenz und die Erregungszeit bzw. Einschalt­ zeitdauer der bei der Erregung verwendeten Ansteuerimpulse werden gemäß der Darstellung in Fig. 5 bestimmt. Nachdem die auf diese Weise festgesetzte Erregungszeit abgelaufen ist, wird erneut der Schritt S1 erreicht.

Nachfolgend wird der in Fig. 3 gezeigte Verarbeitungsab­ lauf in näheren Einzelheiten erläutert. Wenn sich der Schrittmotor 15 in der in Fig. 2 mit ST1 bezeichneten Schrittposition befindet, kann diese Schrittposition bei­ spielsweise als Referenzschritt bzw. Bezugsschrittposition genommen werden. In diesem Fall gilt, daß STEP = 0; ein Er­ höhen der Schrittposition stellt daraufhin den Wert STEP - 1 ein (Schritt S1).

Da TSTEP = 6 und STEP = 1, wird im Schritt S2 ein Wert DSTEP = 5 erhalten. Da MSPD = 0 und DSTEP = 5, folgt, daß DSTEP < MSPD, womit im Schritt S3 auf JA entschieden wird. Der Wert von MSPD wird im Schritt S6 daraufhin von 0 auf 1 inkrementiert. Aus der Tabelle der Fig. 4 wird auf der Basis der niedrigwertigen drei Bits der momentanen Schrittpositi­ on des Motors 15 ein Erregungsmuster ausgewählt. Das ge­ wählte Erregungsmuster wird dem Schrittmotor 15 im Schritt S7 über die Ansteuerschaltung 18 zugeführt. Da MSPD = 1, werden dem Schrittmotor 15 gemäß der Darstellung in Fig. 5 im Schritt S8 Ansteuerimpulse mit einer Ansteuerfrequenz von 500 pps (Impule pro Sekunde) für eine Erregungszeit von 2000 µs (2 ms) zugeführt. Dies bewegt die momentane Positi­ on des Schrittmotors 15 (STEP) zur Schrittposition ST2.

Die Schrittposition ST2, in der DSTEP = 6 - 2 = 4 (Schritt S2) und MSPD = 1 (Antwort JA im Schritt S3), ent­ spricht dem Schritt ST1, weshalb eine erneute Erläuterung entbehrlich ist. Der Wert von MSPD wird daraufhin im Schritt S6 auf den Wert 2 inkrementiert. Daraufhin beginnt die Beschleunigung des Schrittmotors 15 hin zum Sollschritt TSTEP. Da nunmehr MSPD = 2, wird der Schrittmotor 15 gemäß der Darstellung in Fig. 5 im Schritt S8 nunmehr mit Ansteue­ rimpulsen einer Ansteuerfrequenz von 700 pps über eine Er­ regungszeitdauer von 1,429 ms versorgt. Dies bewegt die mo­ mentane Position des Schrittmotors 15 (STEP) zur Schrittpo­ sition ST3.

In der Schrittposition ST3 gilt, daß DSTEP = 6 - 3 - 3 (Schritt S2) und MSPD = 2 (Antwort JA im Schritt S3). Der Wert von MSPD wird daraufhin im Schritt S6 auf 3 inkremen­ tiert. Der Schrittmotor 15 wird zum Sollschritt bzw. zur Sollschrittposition TSTEP hin weiter beschleunigt. Da nun­ mehr MSPD = 3, werden dem Schrittmotor 15 gemäß der Dar­ stellung in Fig. 5 im Schritt S8 Ansteuerimpulse mit einer Ansteuerfrequenz von 843 pps über eine Erregungszeitdauer von 1,186 ms zugeführt. Dies bewegt die momentane Position des Schrittmotors 15 (STEP) zur Schrittposition ST4.

In der Schrittposition ST4 gilt, daß DSTEP = 6 - 4 = 2 (Schritt S2) und MSPD = 3 (Antwort NEIN im Schritt S3). Der Wert von MSPD wird daraufhin im Schritt S5 auf den Wert 2 dekrementiert. Der Schrittmotor 15 beginnt daraufhin, zur Sollschrittposition TSTEP hin abzubremsen. Da nunmehr MSPD = 2, werden dem Schrittmotor 15 gemäß der Darstellung in Fig. 5 im Schritt S8 Ansteuerimpulse mit einer Ansteuerfre­ quenz von 700 pps über eine Erregungszeitdauer von 1,429 ms zugeführt. Dies bewegt die momentane Position des Schritt­ motors 15 (STEP) zur Schrittposition ST5.

In der Schrittposition ST5 gilt, daß DSTEP = 6 - 5 = 1 (Schritt S2) und MSPD = 2 (Antwort NEIN im Schritt S3). Der Wert von MSPD wird daraufhin im Schritt S5 auf den Wert 1 dekrementiert. Der Schrittmotor 15 wird daher weiter zur Sollschrittposition TSTEP hin abgebremst. Da nunmehr MSPD = 1, werden dem Schrittmotor 15 gemäß der Darstellung in Fig. 5 im Schritt S8 Ansteuerimpulse mit einer Ansteuerfre­ quenz von 500 pps über eine Erregungszeitdauer von 2,000 ms zugeführt. Dies bewegt die momentane Position des Schritt­ motors 15 (STEP) zur Schrittposition ST6.

In der Schrittposition ST6 erreicht die von der Schrittposition ST1 aus akkumulierte Gesamt-Erregungszeit­ dauer B1 einen Wert von 8,044 ms. Mit der Abtastzeit T = 8 ms wird die Sollschrittposition TSTEP auf 12 geändert. Da nunmehr gilt, daß DSTEP = 12 - 6 = 6 (Schritt S2) und MSPD = 1 (Antwort JA im Schritt S3), wird der Wert von MSPD im Schritt S6 auf den Wert 2 inkrementiert. Der Schrittmotor 15 wird daraufhin zur Sollschrittposition TSTEP hin be­ schleunigt. Der Ansteuerungsvorgang des Schrittmotors 15 wird daraufhin in ähnlicher Weise wie vorstehend beschrie­ ben in Übereinstimmung mit dem in Fig. 3 gezeigten Flußdia­ gramm durchgeführt.

Gemäß der Darstellung in Fig. 2 haben die Zeitdauern, in denen der Schrittmotor 15 beschleunigt und abgebremst wird, folgende Längen: B1 = 8,044 ms, B2 = 8,270 ms und B3 - 8,270 ms. Diese Zeitdauern stimmen nicht mit der Zeitdauer von 6, 8 bis 5, 5 ms überein, die der Eigenfrequenz des vom Schrittmotor 15 zur Betätigung der Drosselklappen 12 ange­ triebenen Systems entspricht. Ferner stimmen diese Zeitdau­ ern nicht mit der Zeitdauer von 13, 3 bis 11,1 ms oder der von 20,0 bis 16,6 ms überein, die denjenigen gebrochenen Vielfachen der Eigenfrequenz entsprechen, deren Bereich von 75 bis 90 Hz bzw. von 50 bis 60 Hz verläuft.

Gemäß vorstehender Beschreibung weist die erfindungsge­ mäße Schrittmotor-Steuereinheit 17 eine Abtastzeit T auf, die nicht mit der Zeitdauer von 6,8 bis 5,5 ms, die der im Bereich von 150 bis 180 Hz liegenden Eigenfrequenz des vom Schrittmotor angetriebenen Systems entspricht, oder nicht mit der Zeitdauer von 13,3 bis 11,1 ms oder von 20,0 bis 16,6 ms zusammenfällt, die denjenigen gebrochenen Vielfa­ chen der Eigenfrequenz entspricht, deren Bereich zwischen 75 und 90 Hz und zwischen 50 und 60 Hz liegt. Dadurch wird erreicht, daß das im wesentlichen in den Intervallen der Abtastzeit durchgeführte Beschleunigen und Abbremsen des Schrittmotors 15 in den Drosselklappen 12 keinerlei Reso­ nanz mit einer Klopfvibration hervorruft, wie dies in Fig. 2 durch den mit S bezeichneten Kurvenverlauf angedeutet ist. Die Drosselklappen 12 werden dadurch mit hoher Genauigkeit angesteuert, wodurch die Menge des dem Motor 11 zugeführten Ansauggemisches präzise gesteuert wird. Da das Anhalten des Schrittmotors 15 in den Drosselklappen 12 nur eine geringe Klopfvibration hervorruft, klingt die zum Zeitpunkt des An­ haltens des Motors auftretende Vibration in sehr kurzer Zeit aus. Dies gewährleistet ein schnelles Ansprechen auf jegliche Änderung im Betätigungsmaß des Gaspedals.

Nachfolgend werden einige mögliche Abwandlungen des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels der Erfindung aufgezeigt. Obgleich beim obigen Ausführungsbeispiel die Abtastzeit auf einen Wert von 8 ms eingestellt ist, ist es beispielsweise möglich, jede andere Abtastzeit einzustel­ len, solange diese nicht mit den Zeiträumen von 6, 7 bis 5,6 ms, von 13, 3 bis 11,1 ms oder von 20, 0 bis 16, 6 ms zusam­ menfällt; eine derart gewählte Abtastzeit gestattet es dem vom Schrittmotor angetriebenen System zur Betätigung der Drosselklappen nicht, eine Resonanz hervorzurufen. In die­ sem Zusammenhang sei angemerkt, daß eine Abtastzeit von 20 ms oder mehr möglicherweise Probleme beim Nachregeln erfaß­ ter Änderungen im Betätigungsmaß des Gaspedals bereiten kann; die Abtastzeit sollte daher vorzugsweise zwischen 6,8 ms und 11,0 ms liegen oder 5,5 ms und weniger betragen. Ob­ gleich es sich bei dem vorstehend beschriebenen Ausfüh­ rungsbeispiel um eine Schrittmotor-Steuereinheit zum Betä­ tigen von Drosselklappen handelt, ist die Erfindung gleich­ wohl in anderen Anwendungsfällen einsetzbar, bei denen ein Schrittmotor benötigt wird, um schnell auf einen sich stän­ dig ändernden Sollwert zu reagieren.

Zusammenfassend ist somit festzuhalten, daß die erfin­ dungsgemäße Schrittmotor-Steuereinheit eine Abtastzeit auf­ weist, die nicht mit derjenigen Zeitdauer, die der Eigen­ frequenz des vom Schrittmotor angetriebenen Systems ent­ spricht, oder mit derjenigen Zeitdauer zusammenfällt, die einem gebrochenen Vielfachen dieser Eigenfrequenz ent­ spricht. Da das im wesentlichen in Intervallen der Abtast­ zeit durchgeführte Beschleunigen und Abbremsen des Schritt­ motors in den Drosselklappen keine Resonanz mit einer Klopfvibration hervorruft, werden die Drosselklappen mit hoher Genauigkeit gesteuert. Dies wiederum gestattet es, die Menge des dem Motor zugeführten Ansauggemisches präzise zu steuern. Da das Anhalten des Schrittmotors lediglich ei­ ne sehr geringe Klopfvibration in den Drosselklappen her­ vorruft, klingt die zum Stoppzeitpunkt des Motors auftre­ tende Vibration in sehr kurzer Zeit ab. Dies stellt ein schnelles Ansprechen des vom Schrittmotor angetriebenen Sy­ stems auf jegliche Änderung im Betätigungsmaß des Gaspedals sicher.

Vorstehend wurde eine Schrittmotor-Steuereinheit offen­ bart, die eine Abtaststeuerung aufweist, die den Sollwert der Position eines Schrittmotors in Intervallen einer vor­ bestimmten Abtastzeit abtastet, wobei sich der Sollwert über der Zeit ändert; ferner ist eine Schrittmotor-Be­ schleunigungs- und Verzögerungssteuerung vorgesehen, die den Schrittmotor bei der Ermittlung einer Differenz zwi­ schen dem abgetasteten Sollwert und der momentanen Position des Schrittmotors beschleunigt und den Schrittmotor ab­ bremst, wenn der Sollwert erreicht wird, um den Schrittmo­ tor beim Sollwert zu stoppen. Die vorbestimmte Abtastzeit fällt nicht mit derjenigen Zeitdauer zusammen, die der Ei­ genfrequenz eines vom Schrittmotor angetriebenen Systems entspricht, sowie auch nicht mit derjenigen Zeitdauer, die jeder Frequenz entspricht, die ein gebrochenes Vielfaches der Eigenfrequenz ist.

Claims (11)

1. Schrittmotor-Steuereinheit, mit
einer Abtasteinrichtung (16, 20, 21, 24), die in Intervallen einer vorbestimmten Abtastzeit (T) einen Soll­ wert abtastet, der eine Drehposition darstellt, an der ein in ein Antriebssystem, das eine bestimmte Eigenfrequenz aufweist, eingebauter Schrittmotor (15) seien Drehung be­ endet, wenn die vorbestimmte Abtastzeit abgelaufen ist, wo­ bei sich der Sollwert über der Zeit ändert; und
einer Schrittmotor-Beschleunigungs- und Verzögerungs­ einrichtung (18), die den Schrittmotor (15) bei Ermittlung einer Differenz zwischen dem abgetasteten Sollwert und der momentanen Drehposition des Schrittmotors (15) beschleunigt und den Schrittmotor (15) derart abbremst, daß dieser beim Sollwert gestoppt wird, wenn sich die Drehposition dem Sollwert annähert; dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Abtastzeit aus einer periodischen Zeit gewählt ist, aus der diejenige Zeitdauer ausgenommen ist, die entweder der Eigenfrequenz des Antriebssystems oder derjenigen Frequenz entspricht, die sich durch Multi­ plikation der Eigenfrequenz des Antriebssystems mit einer Bruchzahl ergibt (Fig. 1, Fig. 2).

2. Schrittmotor-Steuereinheit nach Anspruch 1, gekenn­ zeichnet durch:
eine Recheneinrichtung, die nach jedem Schritt auf der Basis der Differenz zwischen dem abgetasteten Sollwert (TSTEP) und der momentanen Schrittzahl (STEP) des Schritt­ motors (15) eine Schrittzahl-Differenz (DSTEP) berechnet;
eine Speichereinrichtung, in der abhängig von einer weiteren Schrittzahl (MSPD) Antriebszustände unterschiedli­ cher Ansteuerfrequenz bzw. Erregungszeit zum Beschleunigen und Abbremsen des Schrittmotors (15) gespeichert sind; und
eine Vergleichseinrichtung, die die von der Rechen­ einrichtung berechnete Schrittzahl-Differenz (DSTEP) mit der in der Speichereinrichtung gespeicherten weiteren Schrittzahl (MSPD) vergleicht;
wobei die Ansteuereinrichtung (18) den Schrittmotor (15) auf der Basis eines Vergleichsergebnisses der Ver­ gleichseinrichtung in Übereinstimmung mit den in der Spei­ chereinrichtung gespeicherten Antriebszuständen ansteuert (Fig. 1, Fig. 2 und Fig. 5).

3. Schrittmotor-Steuereinheit nach Anspruch 1 oder 2, ge­ kennzeichnet durch eine Drosselklappe (12) als Antriebssys­ tem, die derart mit dem Schrittmotor (15) verbunden ist, daß die Drosselklappe (12) vom Schrittmotor zum Öffnen und Schließen angesteuert wird, wobei die Drosselklappe drehbar in einem Ansaugrohr, über das einem Motor (11) ein Luft/- Brennstoff-Gemisch zugeführt wird, angeordnet ist.

4. Schrittmotor-Steuereinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenfrequenz des Antriebssystems in einem Bereich von 150 Hz bis 180 Hz liegt.

5. Schrittmotor-Steuereinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Zeit in einem Bereich liegt, aus dem der der Eigenfrequenz entsprechende Bereich von 5,5 ms bis 6,8 ms ausgenommen ist.

6. Schrittmotor-Steuereinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Zeit in einem Bereich von 6,9 ms bis 11,0 ms liegt.

7. Schrittmotor-Steuereinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Zeit auf 8 ms einge­ stellt ist.

8. Schrittmotor-Steuereinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bruchzahl 1/2 ist und daß die berechnete Frequenz in einem Bereich von 75 Hz bis 90 Hz liegt.

9. Schrittmotor-Steuereinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Zeit in einem Bereich liegt, aus dem der der berechneten Frequenz entsprechende Bereich von 11,1 ms bis 13,3 ms ausgenommen ist.

10. Schrittmotor-Steuereinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bruchzahl 1/3 ist und daß die be­ rechnete Frequenz in einem Bereich von 50 Hz bis 60 Hz liegt.

11. Schrittmotor-Steuereinheit nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Zeit in einem Bereich liegt, aus dem der der berechneten Frequenz entsprechende Bereich von 16,6 ms bis 20,0 ms ausgenommen ist.