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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist ein spezieller Schrittmotor, der
im Wesentlichen zur Verwendung in Scheinwerfereinrichtungen von
Kraftfahrzeugen bestimmt ist. Aufgabe der Erfindung ist es im Wesentlichen,
eine Verbesserung in den Initialisierungsphasen des Schrittmotors
vorzuschlagen, um bestimmte Nachteile einzuschränken, die bei diesen Initialisierungsphasen
auftreten können.
Zu diesen Nachteilen gehören
insbesondere eine relativ lange Zeitdauer bei der Bestimmung einer
Referenzposition oder eine sich für einen Benutzer als störend erweisende
Verschiebung eines Elements, zum Beispiel einer Scheinwerfereinrichtung,
die dem Schrittmotor zugeordnet ist.
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Die
Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Kraftfahrzeugscheinwerfer.
In diesem Bereich sind verschiedene Schweinwerterarten bekannt,
darunter im Wesentlichen:
- – Positionsleuchten mit geringer
Lichtstärke
und Reichweite;
- – Abblendlichtscheinwerfer
mit größerer Lichtstärke und
einer Reichweite von etwa 70 Metern auf der Fahrbahn, die im Wesentlichen
nachts verwendet werden und deren Lichtbündel derart verteilt ist, dass
der Fahrer eines entgegenkommenden Fahrzeugs nicht geblendet wird;
- – Fernlichtscheinwerfer
und Zusatz-Weitstrahler, deren Sichtweite ungefähr 200 Meter auf der Fahrbahn
beträgt
und die bei entgegenkommenden Fahrzeugen ausgeschaltet werden müssen, um
deren Fahrer nicht zu blenden;
- – weitergebildete
Scheinwerfer, so genannte Bifunktions-Scheinwerfer, die die Funktionen
von Abblend- und Fernlicht vereinen und hierzu eine verschiebbare
Abdeckkappe aufweisen;
- – Nebelscheinwerfer.
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Manche
Scheinwerfer sind in Gehäusen
mit einer verschwenkbaren äußeren Platte
angeordnet, die auf diese Weise eine Verlagerung des den Scheinwerfern
zugeordneten Lichtbündels
bewirkt. Die Platte weist meistens drei Befestigungspunkte auf,
die gleichfalls Kontaktpunkte zum Verschwenken der Platte sind.
Sie erlauben sowohl eine seitliche Einstellung, um ein Lichtbündel wieder
in seine theoretische Sichtachse zu bringen, als auch eine horizontale
Einstellung, um die Höhe
eines Lichtbündels einzustellen.
Einer der Kontaktpunkte wird meistens als Schwenkpunkt verwendet,
um die seitlichen und horizontalen Bewegungen zu ermöglichen.
In der Nähe
der Kontaktpunkte angeordnete Motorstangen bzw. Stellorgane oder
rein mechanischen Systemen zugehörige
Stangen dienen als mechanisches Zwischenglied, um das Schwenken
der Platten zu steuern. Bei anderen Ausführungsbeispielen verstellbarer
Scheinwertereinrichtungen können
die Reflektoren der Reflektoranordnungen ebenfalls mit Hilfe von Motorstangen
oder mechanischen Systemen ohne Zwischenplatte direkt verschwenkt
werden.
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Die
mechanischen Systeme, auf die hier Bezug genommen wurde, sind dazu
bestimmt, die Ausrichtung eines Lichtbündels manuell einzustellen. Diese
manuellen Einstellungen werden zwangsläufig bei Stillstand des Kraftfahrzeugs
vorgenommen. Insbesondere seit der Verwendung von Xenon-Scheinwerfern,
die leistungsstärker
sind als Halogen-Scheinwerfer, ist es jedoch zwingend notwendig, über automatische
Systeme zur Leuchtweiteregelung zu verfügen. Die Verwendung von Stellorganen, die
Rechnern zugeordnet sind, wurde somit erforderlich, um Veränderungen
der Niveaulage eines Fahrzeugs während
der gesamten Fahrt auszugleichen.
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Die
bei dieser Ausführungsart
verwendeten Stellorgane sind Schrittmotoren. Die sogenannten Gleichstrommotoren,
die üblicherweise
in Scheinwerfereinrichtungen mit Lichtquellen in der Art von Halogenlampen
Verwendung finden, sind nämlich nicht
beständig
genug, um der Anzahl von Zyklen standzuhalten, die die Systeme zur
automatischen Leuchtweiteregelung voraussetzen. In den Schrittmotoren,
wie zum Beispiel in der EP-A-1 235 716 beschrieben, befindet sich
insbesondere eine Steuereinheit, die Schrittbewegungsbefehle an
einen Motorblock übermittelt,
und zwar derart, dass sich eine Antriebsstange mit einer Translationsbewegung,
gegebenenfalls zusammen mit einer Drehbewegung nur zwischen genau
festgelegten Positionen verlagern kann, wobei jede Position einer
Anzahl ausgeführter
Schritte entspricht. Bei speziellen Ausführungsbeispielen nach dem Stand
der Technik entspricht jeder Schritt der Antriebsstange einer Drehung
um 15 Grad der in dem Motorblock angeordneten Magnete bezüglich einander,
wobei diese Drehung sich in eine Translationsbewegung der Antriebsstange
von ungefähr
33 Mikrometer umsetzt. In bestimmten Fällen werden Motoren verwendet,
die 300 Schritte umfassen können, so dass sich die Stange über ungefähr zehn
Millimeter verlagern kann.
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Auch
wenn Schrittmotoren nach dem Stand der Technik im Wesentlichen mit
Scheinwerfereinrichtungen in der Art von Abblendlichtscheinwerfern verwendet
werden, so kann der Gegenstand der Erfindung natürlich an jede andere Vorrichtung
angepasst werden, die Schrittmotoren umfasst, insbesondere neben
Abblendlichtscheinwertern auch alle anderen Scheinwerferanordnungen
mit einer Lichtquelle vom Typ einer Xenon-Lampe.
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Im
Gegensatz zu Gleichstrommotoren ist bei Schrittmotoren beim Betrieb
der dem Schrittmotor zugeordneten Scheinwerfereinrichtung die Verwendung
von Wegsensoren nicht erforderlich, um eine Position der Abtriebsstange
zu bestimmen. Zum genauen Bestimmen dieser Position genügt nämlich ein Zählen der
Anzahl der gesteuerten Schritte. Es ist anzumerken, dass mit Position
der Antriebsstange in dem gesamten Dokument eine Bewegung der Antriebsstange
entlang einer Achse bezeichnet wird, die der Abtriebswelle der Antriebsstange
entspricht, das heißt
der Translationsachse dieser Stange.
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Beim
Einschalten der Scheinwerfereinrichtung, der ein Schrittmotor zugeordnet
wurde, ergibt sich jedoch ein Problem. Die Ausgangsposition der Antriebsstange,
das heißt
ihre Position bei der Inbetriebnahme, muss nämlich rasch und zweifelsfrei
bestimmbar sein, um ihre Bewegung anschließend steuern zu können.
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Eine
erste Lösung
könnte
im Speichern der letzten Position der Antriebsstange vor Ausschalten des
Motors bestehen. Ein derartiger Vorgang ist jedoch schwierig, denn
es ist nicht sicher, dass die letzten von der Steuereinheit übermittelten
Schrittbefehle auch tatsächlich
vor Ausschalten des Motors bei der Bewegung der Antriebsstange berücksichtigt wurden.
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Eine
zweite Lösung
könnte
in der Verwendung eines Wegmess-Systems bestehen, das der Antriebsstange
des Schrittstellorgans zugeordnet ist. Ein derartiges System ist
jedoch zu teuer, da wenigstens drei Leitungsdrähte zwingend erforderlich hinzugefügt werden
müssen,
um den in dem Wegmess-System verwendeten Sensor ununterbrochen mit
Strom versorgen und abtasten zu können. Wie bereits erläutert wurde,
ist die in Verbindung mit Schrittmotoren erforderliche Beständigkeit
der Wegmess-Systeme ein nur schwer zu erfüllendes Kriterium.
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Die
nach dem Stand der Technik am häufigsten
angewendete Lösung
ist in 1 schematisch dargestellt. Diese Lösung besteht
aus einem Schrittmotor 100 mit linearem Abtrieb ohne Wegmess-System,
bei dem bei jedem Einschalten der Scheinwerfereinrichtung, der er
zugeordnet ist, eine Initialisierung des Motors erforderlich ist,
indem eine Antriebsstange 102 auf Anschlag 101 gebracht
wird, damit eine Steuereinheit 103 des Schrittmotors 100 die
Position der Antriebsstange 102 präzise bestimmen kann. Der Anschlag
erfolgt in Höhe
einer festen physischen Ebene eines Motorblocks 104, der
die Translationsbewegung der Antriebsstange 102 erzeugt. Der
Anschlag entspricht entweder einem vollständigen Einfahren oder Ausfahren
der Antriebsstange 102. Genau in dem Augenblick, in dem
sich die Antriebsstange 102 in einer Anschlagposition befindet, erfasst
die Steuereinheit 103 die Position der Antriebsstange 102 und
verfügt
somit über
eine Referenzierung, die für
die spätere
Steuerung der Position der Antriebsstange 102 unerlässlich ist.
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Aus
dieser Lösung
ergeben sich jedoch zwei Hauptprobleme. Zunächst dauert die effektive Inbetriebnahme
der Scheinwerfereinrichtung lange, etwa zwei Sekunden, da die Antriebsstange 102 im
Durchschnitt um die Hälfte
ihrer Länge
verlagert werden muss, um ihre Anschlagposition zu erreichen, und anschließend eine
nominale Betriebsposition einnehmen muss, die in jedem Fall von
ihrer Anschlagposition abweicht. Die Tatsache, dass eine Anschlagposition
erreicht werden muss, hat schließlich auch zur Folge, dass
das von der Scheinwerfereinrichtung abgegebene Lichtbündel zudem
für die
Dauer eines nicht unwesentlichen Zeitraums in einer Randposition
entweder nach oben oder nach unten ausgerichtet wird. Um andere
Fahrzeuge nicht zu blenden, wird das Lichtbündel nach dem Stand der Technik
nach unten ausgerichtet, was jedoch bewirkt, dass die Reichweite
der Scheinwerfer während
dieser Initialisierungsdauer wesentlich geringer ist. Das Problem tritt
auch bei der Initialisierung der Motoren während der Fahrt auf.
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Der
Gegenstand der Erfindung befasst sich mit der dargestellten Problematik.
Allgemein schlägt die
Erfindung einen Schrittmotor ohne Wegmess-System vor, bei dem es
nicht erforderlich ist, dass eine Antriebsstange eine Anschlagposition
in einem Motorblock erreicht, um eine Referenzierung hinsichtlich
der Position dieser Stange vornehmen zu können. Gemäß der Erfindung werden die
Verlagerungen der Antriebsstange des Schrittmotors während der
Initialisierungsphase verringert.
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Hierzu
schlägt
die Erfindung einen Schrittmotor vor, der einen Positionssensor
benutzt, der es erlaubt, eine Position der Stange bezüglich eines
Bezugspunktes bei jeder Inbetriebnahme des Schrittmotors, ob beim
Anlassen des Fahrzeugs oder während
der Fahrt, zu bestimmen. Die Steuereinheit des Schrittmotors steuert
somit die Verlagerung der Antriebsstange in einer Richtung, die
es gestattet, dass eine spezielle auf der Antriebsstange auf wenigstens einer
vorbestimmten Stelle angeordnete und der Steuereinheit bekannte
Markierung einen Referenzsensor passiert, der gegebenenfalls mit
dem Positionssensor eine Einheit bildet. Der Augenblick, in dem die
spezielle Markierung den Referenzsensor passiert, wird durch die
Steuereinheit als relative Referenz erfasst, um später die
Position der Antriebsstange zu bestimmen.
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Gemäß verschiedener
Ausführungsformen besteht
die spezielle Markierung in einer Diskontinuität der Antriebsstange, wobei
diese Diskontinuität unterschiedlicher
Art sein kann.
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Die
Erfindung betrifft einen Schrittmotor nach Anspruch 1, der ferner
eines oder mehrere der nachfolgenden Merkmale aufweisen kann:
- – die
Referenzposition entspricht einer Position der Antriebsstange, in
der sich eine Diskontinuität der
Antriebsstange gegenüber
dem Sensor befindet, der in der Nähe der Antriebsstange angeordnet
ist;
- – die
Bestimmung der relativen Ausgangsstellung der Antriebsstange bezüglich des
festen Bezugspunktes erfolgt mit Hilfe des in der Nähe der Antriebsstange
angeordneten Sensors;
- – der
Sensor ist in Höhe
des in Bezug auf den Motorblock festen Bezugspunktes angeordnet;
- – die
Antriebsstange weist eine Vielzahl von Diskontinuitäten auf,
wobei jede Diskontinuität
einer anderen Referenzposition entspricht;
- – die
Diskontinuitäten
sind auf der Antriebsstange gleichmäßig über die Länge der Antriebsstange verteilt;
- – die
Antriebsstange weist eine einzige Diskontinuität auf;
- – die
einzige Diskontinuität
ist in der Mitte der Antriebsstange angeordnet;
- – jede
Diskontinuität
der Antriebsstange kann eine Veränderung
hinsichtlich eines Querschnitts der Antriebsstange und/oder eine
Veränderung
des Materials und/oder eine Veränderung
des leitenden oder optischen Überzugs
der Antriebsstange kennzeichnen;
- – der
Motor umfasst zusätzliche
Mittel zum Resynchronisieren der Steuereinheit beim weiteren Passieren
einer Referenzposition durch die Antriebsstange;
- – der
in der Nähe
der Antriebsstange angeordnet Sensor ist ein Halleffekt-Sensor;
- – der
in der Nähe
der Antriebsstange angeordnete Sensor ist ein magnetoresistiver
Sensor;
- – der
in der Nähe
der Antriebsstange angeordnete Sensor ist ein elektromagnetischer
oder optischer Sensor oder jede andere Art von Mittel/Sensor, das
bzw. der eine Diskontinuität
auf der Antriebsstange zu erfassen vermag.
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Ein
weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Kraftfahrzeug, das mit
einer Scheinwerfereinrichtung mit einem Schrittmotor ausgestattet
ist, der wenigstens eines der vorstehend angeführten Merkmale aufweist.
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Die
Erfindung und ihre verschiedenen Anwendungen werden durch die nachfolgende
Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen verdeutlicht.
Diese sind nur beispielhaft und schränken die Erfindung in keiner
Weise ein.
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1 die
bereits beschrieben wurde, zeigt eine schematische Darstellung eines
Schrittmotors nach dem Stand der Technik;
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2 ist
eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Schrittmotors;
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3 zeigt
einen ungefähren
Verlauf des mit dem Schrittmotor aus 2 erzielten
Referenzsignals;
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4 zeigt
ein spezielles Beispiel zur Ausführung
des erfindungsgemäßen Schrittmotors.
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Elemente,
die mehreren Figuren gemeinsam sind, sind in den verschiedenen Figuren
mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Die 2 zeigt
einen erfindungsgemäßen Schrittmotor 200.
Er weist in herkömmlicher
Weise eine insbesondere einen Rechner umfassende Steuereinheit 201 und
einen insbesondere einen Rotor und einen Stator umfassenden Motorblock 202 auf. Der
Motorblock 202 erlaubt es, eine Antriebsstange 203 in
Bewegung zu versetzen, und zwar insbesondere in eine Translationsbewegung
entlang einer als Abtriebsachse des Schrittmotors bezeichneten Achse.
Erfindungsgemäß weist
die Antriebsstange 203 eine Diskontinuität 204 auf,
die in dem dargestellten Beispiel einer Querschnittsveränderung
der Antriebsstange 203 entspricht, wobei die Diskontinuität im Wesentlichen
in der Mitte der Antriebsstange 203 angeordnet ist. Ferner
ist ein Sensor 205 in der Nähe der Antriebsstange 203 angeordnet.
Dieser Sensor ist mittels einer Leitung 206 mit der Steuereinheit 201 verbunden.
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Beim
Einschalten der Scheinwerfereinrichtung, der der Schrittmotor zugeordnet
ist, oder ganz allgemein bei der Inbetriebnahme des Schrittmotors, kennt
die Steuereinheit 201 die Position der Antriebsstange 203 nicht.
Erfindungsgemäß wird nach
dem Einschalten eine Information durch den Sensor, der in diesem
Fall ein Positionssensor ist, über
die Leitung 206 an die Steuereinheit 201 übertragen.
Mit dieser Information ist es möglich,
die Position der Antriebsstange bezüglich eines in Bezug auf den
Motorblock 202 festen Bezugspunktes genau zu bestimmen,
die zum Beispiel der Pro jektion der Position des Positionssensors
auf die Abtriebsachse des Schrittmotors entspricht. In dem dargestellten
Fall erkennt der Sensor 205, dass die Antriebsstange 203 auf
seiner Höhe
einen schmalen Querschnitt aufweist. Bei der Information, die an
die Steuereinheit 201 übermittelt
wird, handelt es sich demnach um eine Positionsangabe bezogen auf
eine Erfassung eines physischen Parameters der Antriebsstange 203.
Im vorliegenden Fall kann diese Information in einem einzigen Bit
codiert sein, wobei der Querschnitt der Stange nur zwei Querschnittsarten
aufweisen kann: einen schmalen oder einen breiten. Bei anderen Ausführungsbeispielen
der Erfindung, bei denen die Antriebsstange 203 mehr als
eine Diskontinuität
aufweist, ist die Positionsangabe in einer geeigneten Anzahl Bits
codiert. Die Positionsangabe vermittelt der Steuereinheit 201 nur
eine annähernde
Position der Antriebsstange 203 bezüglich einer Referenzposition.
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Der
Rechner 201 wertet diese Information aus, um eine dem Motorblock 202 mitzuteilende
Bewegungsrichtung zu bestimmen, damit sich die Antriebsstange in
diese Richtung bewegt, die unmittelbar von der empfangenen Positionsangabe
abhängt. Der
Sinn dieser durch den Rechner angeordneten Verlagerung der Antriebsstange 203 besteht
darin, die Antriebsstange 203 in eine Referenzposition
zu bringen. Ein als Referenzsensor bezeichneter Sensor erzeugt ein
Referenzsignal, das zur Steuereinheit 201 übertragen
wird. Diese vermag zu erkennen, wann die Antriebsstange 203 diese
Referenzposition erreichen wird, indem sie die in der Antriebsstange 203 ausgebildete
Diskontinuität 204 erkennt,
wobei diese Diskontinuität
meistens durch das Passieren eines relativen oder absoluten Minimums
oder Maximums des Referenzsignals oder durch ein plötzliches
Wechseln des Signals zum Ausdruck kommt. Eine Referenzposition ist
mit anderen Worten eine Position der Antriebsstange 203,
in der eine Diskontinuität
dieser Stange, stets bezogen auf die Abtriebswelle des Schrittmotors 200,
bei dem Referenzsensor ankommt.
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3 zeigt
eine Kurve mit einem Wert des Referenzsignals auf der Ordinate und
der Bewegung der Antriebsstange entlang ihrer Abtriebsachse auf der
Abszisse, die einen annähernden
Verlauf des an die Steuereinheit 201 übermittelten Referenzsignals wiedergibt,
wobei ein plötzlicher
Wechsel festzustellen ist, wenn die Diskontinuität 204 am Sensor 205 ankommt.
Die Erfindung verwendet hier den Ja-Nein-Wert des Sensorzustands,
um die Referenzrichtung des Motors zu bestimmen. Im Zustand "1" verursacht der Sensor eine Bewegung
der Antriebsstange. Im Zustand "0" zeigt er dem Hauptrechner an,
dass die Stange zum Erreichen der Referenzposition ausgefahren werden
muss. Mit der Art des in 3 dargestellten Abtriebs ist
die Bewe gungsstrategie der Stange in Verbindung mit dem Ja-Nein-Zustand
des Sensors erfindungsgemäß am vorteilhaftesten
anzuwenden.
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In
dem dargestellten Beispiel sind der Positionssensor und der Referenzsensor
ein und derselbe Sensor 205, bei anderen Ausführungsbeispielen
des erfindungsgemäßen Schrittmotors
könnte
es sich bei diesen jedoch auch um verschiedene Sensoren handeln.
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Nachdem
eine Referenzposition erfasst wurde, kann die Steuereinheit 201,
in der zuvor die verschiedenen Parameter gespeichert wurden, die
das Erkennen einer oder mehrerer Referenzpositionen ermöglichen,
mit dem Zählen
der Anzahl der vom Schrittmotor 200 ausgeführten Schritte
beginnen und kann somit die genaue Position der Antriebsstange 203 präzise bestimmen.
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4 zeigt
ein spezielles Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Schrittmotors 200, bei
dem der Sensor 204 die Form eines Spulenpaars 300 aufweist,
wobei jede dieser Spulen 300 in diesem Beispiel aus drei
Differentialspulen gebildet ist. In diesem Beispiel besteht eine
Diskontinuität 301 der
Antriebsstange 203 in einer Veränderung des Materials, aus
dem die Antriebsstange 203 gebildet ist. In anderen nicht
dargestellten Beispielen kann eine Diskontinuität in einer Veränderung
eines auf der Oberfläche
der Antriebsstange 203 angeordneten leitenden Überzugs
oder auch in einer Veränderung
eines auf der Oberfläche
der Antriebsstange 203 angeordneten optischen Überzugs
bestehen, wobei hier geeignete Sensoren verwendet werden müssen.
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Bei
den in 2 und 4 gezeigten Beispielen tritt
nur eine einzige Diskontinuität
auf der Antriebsstange 203 auf. Natürlich kann die Antriebsstange 203 auch
mehrere Diskontinuitäten
aufweisen, wobei die Steuereinheit 201 in der Lage sein muss,
jede Diskontinuität
als eine Referenzposition zu deuten, wenn diese bei einem Referenzsensor
ankommt. Die Steuereinheit 201 muss zuvor programmiert
werden, um jede dieser Referenzpositionen zweifelsfrei zu erkennen,
damit diese als eine relative Referenzposition zum Überprüfen der
Position der Antriebsstange 203 genutzt werden kann. Der
Positionssensor muss ebenfalls entsprechend angepasst werden, um
ein Positionssignal abzugeben, das der Steuereinheit mitteilt, zwischen
welchen das Positionssignal erzeugenden Diskontinuitäten die
Messung erfolgt ist. Die maximale Anzahl in Betracht zu ziehender
Diskontinuitäten
entspricht der Schrittzahl, die mit einer Antriebsstange 203 ausgeführt werden kann.
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Werden
mehrere Diskontinuitäten
verwendet, müssen
diese nicht notwendigerweise gleich geartet sein. Sie können zudem
gleichmäßig über die gesamte
Länge der
Antriebsstange 203 verteilt sein, oder aber auch unregelmäßig, indem
sie zum Beispiel an den Enden der Antriebsstange konzentriert sind.
Bei anderen Ausführungsbeispielen,
die nicht Teil der Erfindung sind, kann auch ein Referenzsensor
verwendet werden, der dazu bestimmt ist, eine Diskontinuität bei der
Veränderung
der Position eines Rotors des Motorblocks zu erkennen.
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Dank
der Erfindung wird die Sicht des Fahrer während der Suche nach der Referenzposition
des Schrittmotors nicht mehr durch ein vollständiges Absenken der Scheinwerfereinrichtung
nach unten für die
Dauer von etwa zwei Sekunden beeinträchtigt, sondern nurmehr für eine kürzere Zeit
durch eine entweder nach oben oder nach unten gerichtete geringfügige Bewegung.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Referenzsensor
auch zum Resynchronisieren der Steuereinheit des Schrittmotors bei
jedem Passieren oder bestimmtem weiterem Passieren einer Diskontinuität der Antriebsstange
in Höhe
des Sensors dienen kann, wodurch es möglich ist, jeglichen Schrittverlust
oder jegliches Abweichen der Antriebsstange nahezu umgehend zu korrigieren.