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Die Erfindung bezieht sich auf eine
Regelvorrichtung für
einen Schrittmotor gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
in den Patentansprüchen
wiedergegebene Regelvorrichtung für einen Schrittmotor gelöst.
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Gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung wird eine nächste
Startzeit ausgehend von einer vorhergehenden Startzeit von einem
Zeitgeber wiederholt gemessen.
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Auf diese Weise kann die Startzeit
für den Schrittmotor
von einem einfachen Zeitgeber genau bestimmt bzw. festgelegt werden.
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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:
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1 eine
schematische Darstellung eines automatischen Leuchtweiten-Regelsystems
für ein Fahrzeug
bzw. Kraftfahrzeug gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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2 eine
seitliche Querschnittsansicht eines Scheinwerfers,
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3 ein
Ersatzschaltbild eines Schrittmotors,
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4 zeitabhängige Verläufe von
den jeweiligen Wicklungen des Schrittmotors zugeführten Strömen,
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5 ein
Ablaufdiagramm von Steuerschritten zur Ausführung eines Ansteuerablaufs
bzw. -unterprogramms des Schrittmotors,
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6 ein
Ablaufdiagramm von Steuerschritten zur Ausführung eines Wicklungs-Vorerregungsablaufs
bzw. – Unterprogramms,
und
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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).
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Zunächst wird unter Bezugnahme
auf die 1 und 2 der allgemeine Aufbau des
automatischen Leuchtweiten-Regelsystems
für Fahrzeug-Scheinwerfereinheiten
näher beschrieben.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Durch Wiederholung der Schritte 201
bis 206 im aberregten Zustand sämtlicher
Wicklungen lässt sich
somit die Rotorstellung genau korrigieren.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.