DE69725526T2 - Regelvorrichtung für einen Schrittmotor - Google Patents

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Regelvorrichtung für einen Schrittmotor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Bei einer üblichen Regelvorrichtung für einen Schrittmotor werden die Phasenwicklungen auch im Ruhezustand bzw. Stillstand des Schrittmotors ständig erregt, um den Rotor in einer Normal- oder Grund-Haltestellung festzuhalten, was ein genaues Wiederanlaufen des Schrittmotors gewährleistet. Durch den Erregerstrom tritt jedoch zwangsläufig ein gewisser Energieverbrauch in Verbindung mit einer Erwärmung der Wicklungen auf, wodurch die Zuverlässigkeit der Regelvorrichtung beeinträchtigt wird.
  • Wenn jedoch die Stromversorgung unterbrochen wird und damit die den Rotor haltende elektromagnetische Feldkraft verschwindet, kann der Rotor durch eine extern einwirkende Kraft verlagert bzw. verdreht werden. Wenn sodann der Schrittmotor mit einer inkorrekten Haltestellung anläuft bzw. gestartet wird, kann keine genaue Drehbewegungssteuerung des Schrittmotors mehr erfolgen.
  • Aus der Zusammenfassung der japanischen Patentschrift JP-58006097 ist eine von einer Zentraleinheit (CPU) gesteuerte Ansteuerschaltung bekannt, durch die eine Zählung der einem Schrittmotor zugeführten Impulse zur Ermittlung der Stellung bzw. Position eines Maschinen- oder Gerätesystems erfolgt. Eine Unterbrechung der Stromversorgung wird der Zentraleinheit durch Zuführung eines Unterbrechungsbefehls mitgeteilt. Wenn ein solcher Unterbrechungsbefehl der Zentraleinheit übermittelt wird, führt die Zentraleinheit die Erregung des Schrittmotors im einphasigen Zustand fort, erregt sodann den Motor ab und speichert schließlich den Erregungszustand in einem Speicher. Bei der Wiedereinschaltung der Stromversorgung setzt dann die Erregung des Schrittmotors entsprechend dem gespeicherten Erregungszustand wieder ein.
  • Weiterhin ist aus der Zusammenfassung der japanischen Patentschrift JP-03198698 eine Regelvorrichtung für einen Schrittmotor bekannt, bei der bei der Stillsetzung eines Schrittmotors der Erregungsmusterstrom in dessen Haltestellung bei jeder zu jeweils einer ersten vorgegebenen Zeit erfolgenden Eingabe eines Erregungsbefehlssignals von einer Zeitgebereinrichtung während einer zweiten vorgegebenen Zeitdauer durch den Schrittmotor fließen kann. Auf diese Weise wird die Haltestellung des Schrittmotors weiter festgehalten, ohne dass eine Stromversorgung und ein Versorgungsspannungs-Wählschalter zur Aufrechterhaltung der Haltestellung im Stillstand des Schrittmotors erforderlich sind.
  • Darüber hinaus ist aus der JP-A-3-198698 ein System bekannt, bei dem ein sämtlichen Phasenwicklungen zugeführter Strom unterbrochen wird, solange sich der Schrittmotor im Ruhezustand bzw. Stillstand befindet, wobei die Rotorstellung durch intermittierende Zuführung eines Haltestroms korrigiert werden soll. Zur Durchführung einer genauen Drehbewegungssteuerung des Schrittmotors ist damit eine Korrektur der Rotor-Haltestellung vor dem Starten bzw. Anlaufen des Motors erforderlich. Durch die in dieser Druckschrift vorgeschlagene intermittierende Stromzufuhr ist jedoch nicht gewährleistet, dass der jeweilige Zeitpunkt der Stromzufuhr direkt vor dem Starten bzw.
  • Wiederanlaufen des Motors liegt, d. h., die Rotorstellung kann nicht immer direkt vor dem Starten bzw. Wiederanlaufen des Motors korrigiert werden. Dies hat zur Folge, dass der Motor gegebenenfalls ohne die erforderliche Korrektur gestartet wird und die Drehbewegungssteuerung demzufolge ungenau ausfällt.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Regelvorrichtung für einen Schrittmotor anzugeben, durch die die Startposition des Rotors direkt vor dem Starten oder Wiederanlaufen des Motors korrigiert wird.
  • Darüber hinaus liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Regelvorrichtung für einen Schrittmotor anzugeben, durch die sich der Energieverbrauch des Schrittmotors und der Temperaturanstieg der Wicklungen verringern sowie eine genaue Positionskorrektur erzielen lässt.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Patentansprüchen wiedergegebene Regelvorrichtung für einen Schrittmotor gelöst.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird eine nächste Startzeit ausgehend von einer vorhergehenden Startzeit von einem Zeitgeber wiederholt gemessen.
  • Auf diese Weise kann die Startzeit für den Schrittmotor von einem einfachen Zeitgeber genau bestimmt bzw. festgelegt werden.
  • Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung für einen Schrittmotor in Form eines automatischen Leuchtweiten-Regelsystems für Fahrzeug-Scheinwerfereinheiten unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines automatischen Leuchtweiten-Regelsystems für ein Fahrzeug bzw. Kraftfahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 2 eine seitliche Querschnittsansicht eines Scheinwerfers,
  • 3 ein Ersatzschaltbild eines Schrittmotors,
  • 4 zeitabhängige Verläufe von den jeweiligen Wicklungen des Schrittmotors zugeführten Strömen,
  • 5 ein Ablaufdiagramm von Steuerschritten zur Ausführung eines Ansteuerablaufs bzw. -unterprogramms des Schrittmotors,
  • 6 ein Ablaufdiagramm von Steuerschritten zur Ausführung eines Wicklungs-Vorerregungsablaufs bzw. – Unterprogramms, und
  • 7 den zeitabhängigen Verlauf des Stroms in einer Wicklung nach der Wicklungs-Vorerregung im unbetätigten Zustand des Schrittmotors (links) und im betätigten Zustand des Schrittmotors (rechts).
  • Zunächst wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 der allgemeine Aufbau des automatischen Leuchtweiten-Regelsystems für Fahrzeug-Scheinwerfereinheiten näher beschrieben.
  • Ein Fahrzeugaufbau (Karosserie) 11 besitzt Vorderräder 12 und Hinterräder 13, wobei Niveausensoren 14 und 15 an dem Fahrzeugaufbau 11 jeweils in der Mitte der Vorderräder 12 und der Mitte der Hinterräder 13 zur Ermittlung der relativen vertikalen Abstandsverstellung (der Höhe bzw. Einfederung des Fahrzeugaufbaus) zwischen dem Fahrzeugaufbau 11 und den Rad- bzw. Fahrzeugachsen angeordnet sind und Fahrzeugniveausignale einer Steuerschaltung 16 zuführen, die außerdem ein von einem Drosselklappen-Stellungssensor 17 abgegebenes Drosselklappen-Stellungssignal sowie ein von einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 18 abgegebenes Fahrzeuggeschwindigkeitssignal erhält.
  • In vorderen Bereichen des Fahrzeugaufbaus 11 sind Scheinwerfereinheiten 19 angebracht. Wie in 2 veranschaulicht ist, besitzen die Scheinwerfereinheiten 19 jeweils eine an einem Reflektor 21 angebrachte Lampe 20 in Form einer Glühlampe oder dergleichen, wobei der Reflektor 21 in einem oberen Bereich seiner Rückseite an einer stationären Halterung 22 und in einem unteren Bereich seiner Rückseite an einer beweglichen Halterung 23 befestigt ist. Die bewegliche Halterung 23 wird von einem Schrittmotor 24 zur Durchführung einer (durch einen Pfeil A gekennzeichneten) Vorwärts- und Rückwärts-Gleitbewegung verstellt, wodurch der Reflektor 21 um ein Gelenk der stationären Halterung 22 herum zur Änderung der Leuchtweite des Scheinwerfers 19 geschwenkt wird. Der Schrittmotor 24 ist mit einem (nicht dargestellten) Mechanismus versehen, der die Drehgeschwindigkeit eines Rotors 25 herabsetzt und die Drehbewegung in eine Gleitbewegung verwandelt.
  • Der Schrittmotor 24 umfasst in der in 3 dargestellten Weise einen (nicht gezeigten) Statorkern mit vier Wicklungen S1 bis S4, wobei der Rotor 25 von einem 2-Phasen-Ansteuersystem angetrieben wird, das den Rotor 25 in der in 4 veranschaulichten Weise durch gleichzeitige Erregung von zwei Wicklungen antreibt, wobei ein Schritt des Rotors mit T1 bezeichnet ist. Jede der vier Wicklungen S1 bis S4 wird während einer zwei Schritten des Rotors entsprechenden Zeitdauer wiederholt erregt und aberregt, um den Rotor jeweils um einen Schritt zu drehen.
  • Der Schrittmotor 24 wird von der Steuerschaltung 16 gesteuert, die in einer nachstehend noch näher beschriebenen Weise einen Sollzahlenwert für die Schritte berechnet und in Abhängigkeit von diesem Sollzahlenwert ein Ansteuersignal zum Antrieb des Schrittmotors 24 erzeugt. Im nicht betätigten Zustand des Schrittmotors sind sämtliche Wicklungen während dieser Zeit aberregt. Zur Korrektur der Stellung des Rotors 25 vor dem erneuten Starten bzw. Wiederanlaufen des Motors werden die zuletzt erregten Wicklungen in der in 4 dargestellten Weise durch einen Strom mit der gleichen Phase wie der zuletzt zugeführte Strom für eine zwischen einigen Millisekunden und einigen 10 Millisekunden liegende Zeitdauer vorerregt, die von der verwendeten Art oder der Form des Schrittmotors 24 abhängt.
  • Der Schrittmotor 24 wird in Abhängigkeit von in den 5 und 6 veranschaulichten Unterprogrammen gesteuert, die in einem in der Steuerschaltung 16 angeordneten (nicht dargestellten) Festspeicher gespeichert sind.
  • In einem Schritt 101 des Unterprogramms gemäß 5 findet eine Initialisierung des Schrittmotors 24 und eines (nicht dargestellten) Direktzugriffsspeichers der Steuerschaltung 16 statt. Sodann werden in einem Schritt 102 die von den Fahrzeugaufbau-Niveausensoren 14 und 15 abgegebenen Ausgangssignale eingelesen. Daraufhin erfolgt in einem Schritt 103 die Berechnung eines Neigungswinkels des Fahrzeugaufbaus 11 in Abhängigkeit von der Differenz zwischen den von den Fahrzeugaufbau-Niveausensoren 14 und 15 abgegebenen Signalen sowie die Berechnung eines Sollzahlenwertes von Ansteuer- bzw. Antriebsschritten aus diesem Neigungswinkel zur Änderung des Leuchtwinkels des Scheinwerfers 19.
  • Sodann wird in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit und einer Änderung ΔV der Fahrzeuggeschwindigkeit in einer Einheitszeit in Schritten 104 und 105 eine Steuerbetriebsart in Form eines Stillstandsbetriebs, eines Beschleunigungs-Verzögerungsbetriebs oder eines Dauerbetriebs bzw. Reisebetriebs festgelegt. Wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit V unter einer Sollgeschwindigkeit Vo (von z. B. Vo = 2 km/h) liegt, wird als Steuerbetriebsart der Stillstandsbetrieb festgelegt, woraufhin der Steuerablauf auf einen Schritt 106 übergeht, bei dem ein sog. "schwaches Filter" zu der im Schritt 103 berechneten Anzahl von Sollschritten zur Festlegung eines endgültigen Steuerzahlenwerts von Schritten hinzuaddiert wird. Dieses "Filter" stellt eine Maßnahme zum Abgleichen bzw. Normalisieren (oder Verzögern des Signals) des Sollzahlenwerts von Schritten zur Verringerung von externen Störeinflüssen dar, wobei dieses "schwache Filter" einen kleinen Abgleich- bzw. Normalisierungskoeffizienten besitzt, der den Steuerablauf praktisch nicht verzögert. Die Addition dieses "schwachen Filters" ist im Stillstandsbetrieb ausreichend, da Störeinflüsse hier nicht so signifikant ausfallen wie im Dauer- oder Reisebetrieb, wenn das Fahrzeug über eine unebene Fahrbahn fährt.
  • Wenn V ≥ Vo und |ΔV| > α (bei z. B. α = 2 m/s2) sind, wird für die Steuerbetriebsart der Beschleunigungs-Verzögerungsbetrieb festgelegt, woraufhin der Ablauf auf einen Schritt 107 übergeht, bei dem dem im Schritt 103 erhaltenen Zahlenwert ein "schwaches Filter" hinzuaddiert wird, um in kurzer Zeit einen endgültigen Steuerzahlenwert von Schritten zu erhalten. Da sich in dieser Betriebsart die Drosselklappenstellung zur Änderung des Motordrehmoments verändert und große Änderungen des Neigungswinkels des Fahrzeugaufbaus 11 in Fahrtrichtung auftreten, wird das "schwache Filter" hinzuaddiert, um den starken Änderungen des Neigungswinkels des Fahrzeugaufbaus rechtzeitig folgen zu können.
  • Wenn V ≥ Vo und |ΔV| ≤ α sind, wird für die Steuerbetriebsart der Dauer- oder Reisebetrieb festgelegt, woraufhin der Ablauf auf einen Schritt 108 übergeht, bei dem ein "starkes Filter" dem im Schritt 103 gebildeten Sollzahlenwert von Schritten hinzuaddiert wird, um die Änderungsgeschwindigkeit des Sollzahlenwertes von Schritten zu verringern bzw. zu dämpfen. Da nämlich der Neigungswinkel des Fahrzeugaufbaus in Fahrtrichtung bei dieser Betriebsart relativ klein und keine übermäßig starke zeitliche Steuerung des Leuchtwinkels des Scheinwerfers erforderlich sind, ist das "starke Filter" in diesem Falle zur Verringerung von Störeinflüssen auf Grund einer unebenen Fahrbahn oder dergleichen sehr effektiv.
  • Nachdem der endgültige Steuerzahlenwert von Schritten in einem der Schritte 106, 107 und 108 festgelegt worden ist, geht der Steuerablauf auf einen Schritt 109 über, bei dem der Schrittmotor 24 durch ein Ansteuersignal (einen Ansteuerimpuls) angetrieben wird, wobei die direkt vor der Ansteuerung des Schrittmotors 24 zuletzt in Betrieb befindlichen Wicklungen in einem Schritt 110 gespeichert werden. Die vorstehend beschriebenen Schritte 102 bis 110 werden jeweils in vorgegebenen Zeiten (von z. B. 50 ms) wiederholt, um die Ansteuersignale entsprechend dem Sollzahlenwert von Schritten zu erzeugen.
  • In 6 ist ein Unterprogramm für die Wicklungs-Vorerregung veranschaulicht. Dieses Unterprogramm wird gleichzeitig mit dem Schrittmotor-Ansteuerablauf bzw. – Unterprogramm gemäß 5 ausgeführt, sodass die zuletzt erregten Wicklungen mit einem Strom vorerregt werden, der die gleiche Phase wie der direkt vor dem erneuten Starten bzw. Wiederanlaufen des Motors zuletzt zugeführte Strom aufweist.
  • In einem Schritt 201 wird ein Startzeitpunkt für den Antrieb bzw. die Ansteuerung des Schrittmotors 24 überprüft, in dem beurteilt wird, ob das erste Ansteuersignal im Schritt 109 gemäß 5 erzeugt worden ist oder nicht. Wenn das Ergebnis JA lautet, geht der Ablauf auf einen Schritt 202 über, bei dem ein Zeitgeber angesteuert wird, der den Zeitablauf seit dem Startzeitpunkt misst.
  • Der Ablauf verbleibt dann beim Schritt 203, bis der Zeitgeber den Ablauf einer gewissen Zeitdauer (von z. B. 30 ms) gemessen hat, die dem Startzeitpunkt der Vorerregungsdauer entspricht. Sodann geht der Ablauf auf einen Schritt 204 über, in dem überprüft wird, ob sich der Schrittmotor 24 in Betrieb befindet oder nicht. Dieser Schritt ist erforderlich, da der Fall eintreten kann, dass der Schrittmotor 24 vor einem erneuten Starten des Motors seine Drehbewegung nicht abgeschlossen hat, wenn der Motor von einem Ansteuersignal betätigt bzw. angetrieben wird, das eine gleichzeitige Drehbewegung über eine große Anzahl von Schritten hinweg anordnet.
  • Wenn der Schrittmotor 24 die erforderliche Drehbewegung vor dem erneuten Starten des Motors oder dem Startzeitpunkt der Wicklungs-Vorerregung nicht abgeschlossen hat, wird im Schritt 204 die Antwort JA erhalten, woraufhin der Ablauf auf einen Schritt 206 zur Rückstellung des Zeitgebers übergeht und zum Schritt 201 zurückkehrt, sodass der nächste Schritt 205 (Wicklungs-Vorerregung) übergangen wird.
  • Wenn dagegen im Schritt 204 die Beendigung der erforderlichen Drehbewegung des Schrittmotors 24 ermittelt und die Antwort NEIN erhalten wird, geht der Ablauf auf den Schritt 205 über, bei dem die mit dem zuletzt zugeführten Strom erregten letzten Wicklungen während einer bestimmten Zeitdauer (von z. B. 20 ms) mit einem Strom vorerregt werden, der die gleiche Phase wie der zuletzt zugeführte Strom aufweist. Auf diese Weise kann die Stellung des Rotors direkt vor einem erneuten Starten bzw. Wiederanlaufen des Schrittmotors 24 zuverlässig korrigiert werden. Der Zeitgeber wird sodann im Schritt 206 zurückgestellt, woraufhin der Ablauf zum Schritt 201 zurückkehrt.
  • Durch Wiederholung der Schritte 201 bis 206 im aberregten Zustand sämtlicher Wicklungen lässt sich somit die Rotorstellung genau korrigieren.
  • Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel werden die Schritte 102 bis 110 gemäß 5 in einer bestimmten Sollzeit (von z. B. 50 ms) wiederholt, sodass der Startzeitpunkt des Schrittmotors 24 (d. h., der Zeitpunkt der Erzeugung des ersten Ansteuersignals im Schritt 109) in jeweiligen Zeitintervallen (von z. B. 50 ms) festgelegt ist.
  • Obwohl der Startzeitpunkt des Schrittmotors 24 festgelegt und automatisch bei jedem Zeitintervall auch im unbetätigten Zustand des Schrittmotors gebildet wird, wird zum Startzeitpunkt kein Ansteuersignal zum Antrieb des Schrittmotors 24 gebildet, solange sich der Schrittmotor 24 nicht in Betrieb befindet. Da die Wicklung in der in 7 veranschaulichten Weise zur Korrektur der Rotorstellung nur vorerregt wird, kann die Rotorstellung wiederholt oder regelmäßig korrigiert werden, auch wenn der Schrittmotor für eine längere Zeitdauer außer Betrieb bleibt.
  • Obwohl der Startzeitpunkt des Schrittmotors 24 bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel in Form eines Sollzyklus festgelegt ist, besteht natürlich die Möglichkeit, dass der Zyklus (Periode) des Startzeitpunktes im Dauer- bzw. Reisebetrieb vergrößert und im Beschleunigungs-Verzögerungsbetrieb verkleinert wird.
  • Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, dass die Steuerschaltung 16 den Startzeitpunkt in Abhängigkeit von vorliegenden Umständen verändert. Wenn die Steuerschaltung 16 hierbei die Entscheidung trifft, den Schrittmotor 24 in Abhängigkeit von den Sensor-Signaldaten anzusteuern bzw. anzutreiben, berechnet sie eine Zeitdauer zur Berechnung des Sollzahlenwerts von Schritten und korrigiert gleichzeitig die Rotorstellung durch Vorerregung der Wicklung direkt vor dem Startzeitpunkt. Das Ansteuersignal kann hierbei direkt nach der Berechnung des Sollzahlenwerts von Schritten erzeugt werden.
  • Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird ein 4-Phasen-Schrittmotor mit Hilfe eines 2-Phasen-Ansteuersystems betätigt bzw. betrieben. Dies kann jedoch auch mittels eines 1-Phasen-Ansteuersystems erfolgen. Darüber hinaus kann die Erfindung auch bei einem 3-Phasen-Schrittmotor oder einem Schrittmotor anderer Art Verwendung finden.
  • Die Erfindung ist natürlich nicht nur bei einem automatischen Leuchtweiten-Steuersystem von Fahrzeug-Scheinwerfereinheiten verwendbar, sondern kann auch bei verschiedenen anderen Systemen Anwendung finden, die einen Schrittmotor als Antriebseinrichtung aufweisen.
  • Wie vorstehend beschrieben, sind sämtliche Wicklungen S1, S2, S3, S4 des Schrittmotors 24 aberregt, wenn der Motor 24 stillgesetzt ist, sodass ein unnötiger Energieverbrauch und Temperaturanstieg verhindert und ein genauer Betrieb des Motors 24 gewährleistet werden können. Hierbei wird ein Sollzahlenwert von Schritten zur Drehung des Schrittmotors 24 in eine Sollstellung berechnet. Wenn der Schrittmotor 24 nicht betrieben wird, wird die Stromversorgung für sämtliche Wicklungen S1, S2, S3, S4 unterbrochen bzw. beendet. Zur Korrektur der Stellung des Rotors 25 des Schrittmotors 24 – die sich im Vergleich zu einer Normalstellung im Stillstand verlagern kann – direkt vor einem erneuten Starten bzw. Wiederanlaufen des Motors 24 werden die Wicklungen, die direkt vor der Stillsetzung des Motors 24 mit Strömen spezifischer Phasen beaufschlagt worden sind, während einer Zeitdauer direkt vor dem nächsten Startzeitpunkt mit den gleichen Strömen beaufschlagt.

Claims (3)

  1. Regelvorrichtung für einen eine Vielzahl von Wicklungen (S1, S2, S3, S4) aufweisenden Schrittmotor, mit einer Steuerschaltung (16) zur Erregung spezifischer Wicklungen zum Antrieb des Schrittmotors (24) und zum Stillsetzen des Schrittmotors (24) durch Aberregung sämtlicher Wicklungen (S1, S2, S3, S4), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung dahingehend ausgestaltet ist, dass die Erregung spezifischer Wicklungen zu einer jeweiligen periodischen Startzeit begonnen wird, wobei die Startzeiten gebildet werden, auch wenn sich der Schrittmotor nicht in Betrieb befindet, und den spezifischen Wicklungen jeweils während einer Zeitdauer direkt vor einer jeweiligen Startzeit und direkt nach einer durch die Steuerschaltung erfolgten Berechnung einer Sollzahl von Schritten ein Strom zugeführt wird, der die gleiche Phase wie ein der jeweiligen Wicklung direkt vor dem Stillsetzen des Schrittmotors (24) zuletzt zugeführter Strom aufweist, um dem Schrittmotor (24) eine Drehbewegung in vollständigen, von der Steuerschaltung (16) angeordneten Schritten zu ermöglichen.
  2. Schrittmotor-Regelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine nächste Startzeit ausgehend von einer vorhergehenden Startzeit von einem Zeitgeber wiederholt gemessen wird.
  3. Schrittmotor-Regeleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass keine Erregung der mit den zuletzt zugeführten Strömen zu beaufschlagenden Wicklungen erfolgt, wenn sich der Schrittmotor (24) bei oder nach der von der Steuerschaltung (16) vorgenommenen Messung der nächsten Startzeit noch in Betrieb befindet.
DE1997625526 1996-08-20 1997-08-12 Regelvorrichtung für einen Schrittmotor Expired - Lifetime DE69725526T2 (de)

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