WO2016096876A1 - Verfahren zum antrieb eines lastgeräts durch einen schrittmotor - Google Patents

Verfahren zum antrieb eines lastgeräts durch einen schrittmotor Download PDF

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Continental Automotive Technologies GmbH
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    • H02P8/42—Arrangements for controlling dynamo-electric motors rotating step by step characterised by non-stepper motors being operated step by step

Definitions

  • the present invention relates to a method for driving a load appliance by a stepping motor, and a perio ⁇ ground working device comprising a stepping motor and a load device with which this method can be executed.
  • Stepper motors normally have been a unticianmäßi ⁇ gen torque curve. These torque fluctuations are often referred to as torque ripple and lead to a step time variation. They can be caused, for example, by the discre ⁇ ten number of steps of the stepper motor. Ne ⁇ Ben the stepper motor and the torque curve of a load device may have torque ripple. Cause can be an unbalance in the load device for ⁇ game.
  • a stepper motor now for example, a load device, the Ef fect ⁇ the torque may increase fluctuations of the stepping motor about the rotational torque ripples ⁇ this load device, so that there is a common torque ripple. If one operates the Shamo ⁇ tor at low speed, so the stepping motor can progressively run in such a case, non-circular or even suspend or no longer be controllable.
  • a stepper motor typically comprises a rotor, that is a rotatable motor shaft with ⁇ part.
  • the rotor can be rotatable by a step or its multiple by a controlled, stepwise rotating, electromagnetic field of Sta ⁇ torspulen in a non-rotatable motor part.
  • the stepper motor may be, for example, a reluctance stepper motor, a permanent magnet stepper motor or a hybrid stepper motor.
  • the stepper motor can advantageously also be a DC motor or a synchronous motor.
  • a DC motor is typically a DC rotary electric machine.
  • a feature of the conventional DC motor for example, a mechanical change ⁇ judge. This is also called a commutator or a pole turner.
  • the commutator, or Polwender can by Umpolung or commutation a speed-dependent alternating erzeu ⁇ gen.
  • the DC motor may advantageously be a brush- ⁇ -less DC motor. In a brushless direct current motor may ⁇ electronic commutation, ie Umpo ⁇ lung, be made dependent on the rotor position, the rotor speed and the Drehmo ⁇ ment or a Medutierzeit be regulated.
  • the commutation time is typically the time difference between two polarity reversals.
  • a permanent magnet synchronous motor can be referred to, which is, for example, electronically driven by a commutation.
  • the rotor is moved by a variable magnetic rotating field in the stator, wherein the current synchronous motor executes a synchronous voltage for the alternating ⁇ movement.
  • the stepper motor goes through a plurality of steps each revolution.
  • One step is typically a minimum angle by which the rotor can be rotated.
  • the number of steps may be predetermined, for example, by the number of teeth of a toothed soft iron core in the reluctance stepping motor or in ⁇ example, by the number of poles or the Statorspu ⁇ len the permanent magnet stepper motor.
  • the number of steps in ⁇ example be predetermined by the number of commutations.
  • the stepper motor runs through the respective steps with a step time.
  • the step times may be defined as time intervals from a start of execution of a step to a start of execution of the next step. This time interval can also be given by a time which, for example, between a start of Zu ⁇ leadership supplied to the execution of the respective step Energy and a start of supplying the energy supplied to perform the respective next step elapses.
  • the step times are, for example, commutation times.
  • a load device is typically a device that work verrich ⁇ tet, such as a pump.
  • the pump is a fuel pump and / or a gerotor.
  • a gerotor is a positive displacement pump, which has an inner and an outer rotor on ⁇ , wherein the inner rotor has n teeth and the outer rotor has n + 1 teeth.
  • the two rotors can each toothed ro ⁇ animals, wherein the inner rotor is mounted eccentrically to the outer rotor.
  • Such a liquid may, by means of a so generated over or under pressure in the respective volumes are ge ⁇ pumps.
  • the load device normally has torque fluctuations, also called torque ripple. These can be predefined by the constructive ⁇ tion example of the load device, for example, by an imbalance of components or manufacturing tolerances.
  • torque ripples of the load device may interact with the torque rotations of the stepper motor so that common torque ripples can result.
  • the load device reaches after a certain number of Umdre ⁇ ments of the stepping motor with a period periodically again ⁇ sweeping again an output state.
  • Stepper motor and load device form a mechanical system.
  • From the ⁇ transition state may be the ⁇ ses mechanical system any, well-defined state.
  • the one period can be defined are considered to be the time interval that begins at the time a particular state is taken and ends at the time this state is next taken. Normally, the same torque curve occurs in each such period when no correction is made.
  • the load device can reach the output state, for example, after each Weil ⁇ one revolution of the load device again when the same torque curve occurs during each individual revolution of the load device.
  • the stepping motor may also have, for example, a construction-related number of m steps, which result in a mechanical rotation (360 °).
  • a construction-related number of m steps which result in a mechanical rotation (360 °).
  • each period of the stepping motor a certain number of revolutions of each run with a plurality of steps by ⁇ .
  • N actual step times ti, t2, ti, t N can occur.
  • target step times are predetermined.
  • the desired step Zei ⁇ th ti ' ,. 2 ', TI', t N ' can be preset for the N steps of Pe ⁇ Riode to reach ideally a well-defined, preferably constant speed, and / or a well-defined, preferably constant, torque.
  • the target step times ti ' , t2', ti ' , t N ' can be compared in a period with the actual actual step times ti, t2, ti, t N in this period. In the event of a deviation, a correction of the actual step times in a later period may be brought about, if appropriate.
  • a plurality of actual actual step Zei ⁇ th occurring in at least one of the periods determines the times corresponding to the respective target step.
  • the actual actual step times t ⁇ i of the respective steps in one period and the predetermined target step times t ⁇ 'of the respective step i see in this period is as corresponding ⁇ .
  • the i supplied to the execution of the respective step Ener ⁇ energy is preferably adjusted by an increase or decrease in step i itself supplied energy.
  • the energy supply in a step ⁇ i can also affect the performance of an adjacent step i-1 and i +. 1 Due to a delay in the supply of energy following acceleration, the i supplied to the execution of the respective step energy can therefore be adapted for example by a He ⁇ heightening or decreasing the energy supplied in a be ⁇ adjacent step i-1 and i +. 1
  • Both speed and step time are typically dependent on the energy supplied to the stepper motor.
  • the supplied energy can be reduced or increased, so as to achieve a correction of the actual step times.
  • the Ernied ⁇ r Trent or increase of i supplied in each step energy can in a later period that follows the period that the plurality of actual step times ti, t2, t lf t N be determined done.
  • Energy can vorzugswei ⁇ se be supplied to the stepper motor in each step in that an electric current with a determinable current and / or voltage is supplied.
  • the step motor supplied in the respective energy step is preferably reduced or increased, characterized in that the power supplied to the stepper motor current is reduced or it is ⁇ increased.
  • the voltage may for example be ge ⁇ changes.
  • the energy can also be supplied by a ge ⁇ pulsed electrical power.
  • the actual step ⁇ time is then preferably adapted to the fact that the pulse width of the pulsed ⁇ electric current is reduced or increased.
  • the supplied for execution of the respective step energy can by a percentage of at least 0.2%, preferably at least 0.5 ⁇ %, particularly preferably at least 0.8% and / or Hoechsmann ⁇ least 5%, preferably at most 2%, particularly preferably Hoechsmann ⁇ least 1.3% can be reduced when the actual step time is less than the corresponding target step time and / or increased are, if the actual step time is greater than the corre sponding ⁇ desired step time.
  • a higher-level regulation of the rotational speed can be provided. This is advantageous, for example, when the correction of single ⁇ NEN step times ti, t2, ti, t N, in a period subsequent to the period that the determined plurality of actual step Zei ⁇ th, in an overall Changing a total speed leads.
  • the overall speed can, for example, averaged over the duration of this later period measured ⁇ to.
  • the regulation of the rotational speed preferably takes place in that an actual duration T of at least one of the periods is determined, a target duration T 'of this at least one period is specified, and the desired step times ti ' ,.
  • the actual duration of at least one period preferably at least three periods, more preferably from at least five periods and / or exceeding twenty Perio ⁇ , preferably not more than fifteen periods, especially be ⁇ vorzugt exceeding ten periods determined.
  • the regulation of the energy supplied to the stepper motor can ty ⁇ pically done by a controller.
  • the controller can in an electrical control loop times the target step, so the reference variable, with the actual step times, so compare the controlled variable. From the difference, which can also be referred to as control deviation, the manipulated variable, ie preferably the supplied electrical energy, can be determined and adjusted accordingly.
  • the controller is a PI controller or a P controller.
  • the PI controller is a standard linear controller with proportional and integral behavior, ie, a superposition of a step response and a proportional response.
  • the P controller for example, has a specific charac ⁇ step response.
  • 1 shows an example stepper motor for driving a
  • FIG. 1 shows an exemplary stepper motor for driving a gerotor.
  • the two Ro ⁇ gates (10, 11) can each rotate in mesh, said in ⁇ nere rotor (10) eccentric to the outer rotor (11) is mounted.
  • Between the teeth (14) of the inner (10) and the outer rotor (11) arise due to the geometry of the gerotor n 4 different sized volumes. Due to the teeth of the inner (10) and outer rotor (11) may expand the volume between the Zäh ⁇ NEN (14) during the rotation or respectively kontrahie- ren.
  • a liquid can be pumped.
  • the liquid is sucked into the inlet (13) and then pushed out of the outlet (12).
  • the gerotor rotates clockwise (15) and is mounted in a round housing (16) that is concentric with the axis of rotation ⁇ of the inner rotor (10).
  • In the housing (16) are also holes for fixing.
  • FIG 2 shows an exemplary profile (3) of a step time which is for example a Merklezeit (1), in depen ⁇ dependence of a rotation angle (2) of a stepping motor.
  • the curve (3) the step time (1) as a function of Umcardungswin ⁇ kels (2) of the stepping motor has slight variations around the set point (4).
  • the load device After five revolutions (8) of the stepper motor, the load device has passed through a full period and returns as ⁇ in its initial state. Overall, two full periods are shown, five the setpoint (4) it ⁇ reaching maxima in the time step (1), and five per ⁇ wells significantly below the set point lying (4) minima.
  • These torque fluctuations are also referred to as torque mens (9). So there are a total of five torque ripple (9).
  • Cause of the torque ripple (9) is, for example, an imbalance in the load device or the construction of the Shamo ⁇ tor with multiple stator coils.
  • the individual torque ripples (9) of the stepping motor and the load device couple to one another and thus produce the five illustrated torque ripples (9).
  • FIG. 3 shows an example curve (3) of the step time or commutation time (1) as a function of the rotation angle (2) of the stepping motor. Again, two periods are shown.
  • the course of the commutation time (1) in the first period is structured analogously to that shown in FIG. It reentered five maxima and also five to below the setpoint (4) befind ⁇ Liche minima.
  • N 9 control points (5) are now shown, which may be, for example, individual steps of the stepping motor.
  • the commutation time (1) or actual step time can be corrected. This process is preferably carried out by reducing or increasing the energy supplied during a commutation or a step i.
  • the actual step time or the actual value of the Kommut ierzeit (1) at ⁇ is playing, less than the desired value (4) supplied ⁇ input power can be reduced at a later period. If the actual step time or commutation time (1) is greater than the setpoint (4), the supplied energy can be increased.
  • the i supplied to the execution of the respective step Ener ⁇ energy is preferably adjusted directly in step i.
  • the Ener ⁇ giezuschreib in a step i but can also affect the performance of an adjacent step i-1 and i +.
  • the i supplied to the execution of the respective step energy can therefore alternatively be increased by a raised stabili ⁇ hung or decreasing the energy supplied in a Benach ⁇ disclosed step i-1 and i + 1 and be reduced.
  • the ⁇ se correction of the energy supplied is preferably carried out in the measurement of the deviation of the immediately following period.
  • the second adapted period (7) has significantly lower fluctuations of the actual step time or commutation time (1) about the setpoint values (4).
  • the torque triples (9) are smoothed.
  • the amount of energy supplied is preferably adapted in that the current strength, the clamping ⁇ voltage or a pulsed current is varied, the pulse width, the control preferably it ⁇ followed by a PI controller.
  • the actual actual duration of the period is preferably measured and adjusted to a pre- ⁇ added target duration. This can be done by changing the setpoint values (4) or the predetermined setpoint step times ti ', t-2' r -r ti ' , tg ' in a later period, wherein the change is based on the deviation of the actual duration of the target duration of this period is based.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Antrieb eines Lastgeräts durch einen Schrittmotor, wobei vorzugsweise ein wohldefinierter Drehmomentverlauf erreicht werden soll, durch eine Anpassung von Ist-Schrittzeiten an Soll-Schrittzeiten in einer auf die gemessene Abweichung folgenden Periode. Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem eine periodisch arbeitende Vorrichtung mit der dieses Verfahren ausgeführt wird.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Antrieb eines Lastgeräts durch einen Schrittmotor
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Antrieb eines Lastgeräts durch einen Schrittmotor, sowie eine perio¬ disch arbeitende Vorrichtung, aufweisend einen Schrittmotor und ein Lastgerät, mit der dieses Verfahren ausführbar ist.
Schrittmotoren weisen bisher normalerweise einen ungleichmäßi¬ gen Drehmomentverlauf auf. Diese DrehmomentSchwankungen werden oft auch als Drehmomentrippel bezeichnet und führen zu einer Schritt zeitvariation . Sie können beispielsweise von der diskre¬ ten Zahl von Schritten des Schrittmotors verursacht werden. Ne¬ ben dem Schrittmotor kann auch der Drehmomentverlauf eines Lastgeräts Drehmomentrippel aufweisen. Ursache kann zum Bei¬ spiel eine Unwucht im Lastgerät sein. Betreibt man mit einem Schrittmotor nun zum Beispiel ein Lastgerät, kann sich der Ef¬ fekt der Drehmoment Schwankungen des Schrittmotors um die Dreh¬ momentrippeln dieses Lastgeräts verstärken, sodass es zu einem gemeinsamen Drehmomentrippel kommt. Betreibt man den Schrittmo¬ tor mit geringer Drehzahl, so kann der Schrittmotor in einem solchen Fall zunehmend unrund laufen oder sogar aussetzen bzw. nicht mehr steuerbar sein.
Der Stand der Technik löst dieses Problem, indem jeweils eine Schrittzeit des jeweils letzten Schrittes bestimmt wird und ba¬ sierend darauf ein unmittelbar folgender Schritt korrigiert wird. Es handelt sich hier also um eine Anpassung von einem Schritt zum Nächsten.
Nachteil dieses Verfahrens ist jedoch, dass die überlagerten DrehmomentSchwankungen der jeweiligen direkt aufeinander fol¬ genden Schritte so unterschiedlich sein können, dass die Rege¬ lung der Schrittzeit jeweils in die falsche Richtung regelt und somit die Schwankungen im Drehmomentverlauf noch verstärkt wer¬ den .
Ausgehend vom Stand der Technik ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dem ein Schrittmotor ein Lastgerät bei wohldefinierter Drehzahl bzw. bei wohldefiniertem Drehmoment betreiben kann, und außerdem ei¬ ne periodisch arbeitende Vorrichtung anzugeben, mit der dieses Verfahren ausführbar ist.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum Antrieb eines Last¬ geräts durch einen Schrittmotor mit den Merkmalen des Patentan¬ spruchs 1, sowie durch die periodisch arbeitende Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Die jeweiligen abhängigen Patentansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildun¬ gen des Verfahrens gemäß Patentanspruch 1 bzw. der periodisch arbeitenden Vorrichtung gemäß Patentanspruch 10.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Antrieb eines Lastgeräts durch einen Schrittmotor. Ein Schrittmotor weist typischerweise einen Rotor auf, also ein drehbares Motor¬ teil mit Welle. Der Rotor kann dabei durch ein gesteuertes, schrittweise rotierendes, elektromagnetisches Feld von Sta¬ torspulen in einem nicht drehbaren Motorteil um einen Schritt oder sein Vielfaches drehbar sein. Der Schrittmotor kann zum Beispiel ein Reluktanz-Schrittmotor, ein Permanentmagnet- Schrittmotor oder ein Hybridschrittmotor sein.
Der Schrittmotor kann vorteilhafterweise auch ein Gleichstrom- motor oder ein Synchronmotor sein. Ein Gleichstrommotor ist typischerweise eine rotierende elektrische Maschine, die mit Gleichstrom betrieben wird. Ein Merkmal des herkömmlichen Gleichstrommotors ist beispielsweise ein mechanischer Wechsel¬ richter. Dieser wird auch als Kommutator oder als Polwender be- zeichnet. Der Kommutator, bzw. Polwender kann durch Umpolung bzw. Stromwendung einen drehzahlabhängigen Wechselstrom erzeu¬ gen. Der Gleichstrommotor kann vorteilhafterweise ein bürsten¬ loser Gleichstrommotor sein. Bei einem bürstenlosen Gleich¬ strommotor kann eine elektronische Kommutierung, d. h. Umpo¬ lung, von der Rotorposition, der Rotordrehzahl und dem Drehmo¬ ment abhängig gemacht werden bzw. eine Kommutierzeit geregelt werden. Die Kommutierzeit ist typischerweise die Zeitdifferenz zwischen zwei Umpolungen.
Mit dem Oberbegriff Schrittmotor kann vorteilhafterweise insbe¬ sondere ein Permanenterregter Synchronmotor bezeichnet werden, welcher zum Beispiel elektronisch durch eine Blockkommutierung angesteuert wird. Typischerweise wird beim Synchronmotor der Rotor von einem veränderlichen magnetischen Drehfeld im Stator mitbewegt, wobei der laufende Synchronmotor eine zur Wechsel¬ spannung synchrone Bewegung ausführt.
Der Schrittmotor durchläuft bei jeder Umdrehung eine Mehrzahl von Schritten. Ein Schritt ist typischerweise ein minimaler Winkel, um den der Rotor gedreht werden kann. Die Anzahl der Schritte kann beispielsweise durch die Anzahl der Zähne eines gezahnten Weicheisenkern beim Reluktanz-Schrittmotor oder bei¬ spielsweise auch durch die Anzahl der Pole oder der Statorspu¬ len beim Permanentmagnet-Schrittmotor vorgegeben sein. Beim bürstenlosen Gleichstrommotor kann die Anzahl der Schritte bei¬ spielsweise durch die Anzahl der Kommutierungen vorgegeben sein .
Der Schrittmotor durchläuft die jeweiligen Schritte jeweils mit einer Schrittzeit. Die Schritt zeiten können definiert werden als zeitliche Abstände von einem Beginn der Ausführung eines Schrittes zu einem Beginn der Ausführung des jeweils nächsten Schrittes. Dieser zeitliche Abstand kann auch durch eine Zeit gegeben sein, die beispielsweise zwischen einem Beginn des Zu¬ führens der zur Ausführung des jeweiligen Schrittes zugeführten Energie und einem Beginn des Zuführens der zur Ausführung des jeweiligen nächsten Schrittes zugeführten Energie verstreicht. Die Schritt zeiten sind zum Beispiel Kommutierzeiten .
Ein Lastgerät ist normalerweise ein Gerät, das Arbeit verrich¬ tet, wie zum Beispiel eine Pumpe. Vorzugsweise ist die Pumpe eine Kraftstoffpumpe und/oder ein Gerotor. Ein Gerotor ist eine Verdrängerpumpe, die einen inneren und einen äußeren Rotor auf¬ weist, wobei der innere Rotor n Zähne hat und der äußere Rotor n+1 Zähne hat. Die beiden Rotoren können jeweils verzahnt ro¬ tieren, wobei der innere Rotor exzentrisch zum äußeren Rotor gelagert ist. Zwischen den Zähnen des inneren und des äußeren Rotors entstehen aufgrund der Geometrie des Gerotors n ver¬ schieden große Volumina. Aufgrund der exzentrisch gelagerten Verzahnung von innerem und äußerem Rotor kann das Volumen zwi¬ schen den Zähnen bei der Rotation jeweils expandieren bzw.
kontrahieren. So kann, mittels eines so entstehenden Über- bzw. Unterdrucks in den jeweiligen Volumina, eine Flüssigkeit ge¬ pumpt werden.
Das Lastgerät weist normalerweise Drehmoment Schwankungen, auch Drehmomentrippel genannt, auf. Diese können durch die Konstruk¬ tionsweise des Lastgeräts vorgegeben sein, zum Beispiel durch eine Unwucht, durch Bauteile oder Fertigungstoleranzen. Die Drehmomentrippel des Lastgeräts können mit den Drehmomentrip- peln des Schrittmotors wechselwirken, sodass sich gemeinsame Drehmomentrippel ergeben können.
Das Lastgerät erreicht nach einer bestimmten Anzahl von Umdre¬ hungen des Schrittmotors mit einer Periode periodisch wieder¬ kehrend erneut einen Ausgangs zustand . Für den Gerotor kann dies zum Beispiel nach n- (n+1 ) Schritten der Fall sein. Schrittmotor und Lastgerät bilden dabei ein mechanisches System. Der Aus¬ gangszustand kann ein beliebiger, wohldefinierter Zustand die¬ ses mechanischen Systems sein. Die eine Periode kann definiert werden als das Zeitintervall, das beginnt zu dem Zeitpunkt, zu dem ein bestimmter Zustand eingenommen wird, und endet zu dem Zeitpunkt, zu dem dieser Zustand das nächste Mal eingenommen wird. Normalerweise tritt in jeder solchen Periode der gleiche Drehmomentverlauf auf, wenn keine Korrektur vorgenommen wird. Das Lastgerät kann den Ausgangs zustand beispielsweise nach je¬ weils einer Umdrehung des Lastgeräts wieder erreichen, wenn während jeder einzelnen Umdrehung des Lastgeräts der gleiche Drehmomentverlauf auftritt. Auch der Schrittmotor kann bei- spielsweise eine baubedingte Anzahl von m Schritten aufweisen, welche eine mechanische Umdrehung (360°) ergeben. Für das bei¬ spielhafte mechanische Gesamtsystem aus Schrittmotor und Gero- tor kann sich dann in diesem Beispiel eine Anzahl von
m- n- (n+1) Schritten in einer Periode ergeben.
In jeder Periode kann der Schrittmotor eine bestimmte Anzahl von Umdrehungen jeweils mit einer Mehrzahl von Schritten durch¬ laufen. In einer Periode mit N Schritten können dabei N Ist- Schritt zeiten ti, t2, ti, tN auftreten. Für eine Vielzahl von in einer der Perioden durchlaufenden Schritte des Schritt¬ motors sind Soll-Schritt zeiten vorgegeben. Die Soll-Schritt Zei¬ ten ti', . 2 ' , ti', tN ' können für die N Schritte einer Pe¬ riode vorgegeben werden, um idealerweise eine wohldefinierte, vorzugsweise konstante Drehzahl, und/oder ein wohldefiniertes, vorzugsweise konstantes, Drehmoment zu erreichen. In einem nächsten Vorgang können die Soll-Schritt zeiten ti', t2 ', ti', tN ' in einer Periode mit den tatsächlichen Ist-Schritt zeiten ti, t2, ti, tN in dieser Periode verglichen werden. Bei einer Abweichung kann gegebenenfalls eine Korrektur der Ist- Schritt zeiten in einer späteren Periode herbeigeführt werden.
Es werden dazu eine Vielzahl von tatsächlichen Ist-Schritt Zei¬ ten, die in zumindest einer der Perioden vorkommen, bestimmt, die den jeweiligen Soll-Schritt zeiten entsprechen. Es seien da- bei ti, t2, ti, tN die in der zumindest einen Periode ge- messenen, tatsächlichen Ist-Schritt zeiten und ti', .2 ' , t ' , tN ' die vorgegebenen Soll-Schritt zeiten für diese Periode, die eine Vielzahl von N Schritten aufweist. Dann werden die tatsächlichen Ist-Schritt zeiten t± der jeweiligen Schritte i in einer Periode und die vorgegebenen Soll-Schritt zeiten t± ' des jeweiligen Schrittes i in dieser Periode als entsprechend ange¬ sehen .
In einer Periode, die auf jene Perioden folgt, in der die Viel- zahl der N Ist-Schritt zeiten bestimmt werden, wird eine zur
Ausführung des jeweiligen Schrittes i zugeführte Energie ver¬ ringert, sofern die Ist-Schritt zeit t± kleiner ist als die ent¬ sprechende Soll-Schritt zeit t± ' , und/oder die zur Ausführung des jeweiligen Schrittes i zugeführte Energie wird erhöht, so- fern die Ist-Schritt zeit t± größer ist als die entsprechende Soll-Schritt zeit t± ' .
Die zur Ausführung des jeweiligen Schrittes i zugeführte Ener¬ gie wird vorzugsweise durch eine Erhöhung bzw. Verringerung der im Schritt i selber zugeführten Energie angepasst. Die Energie¬ zufuhr in einem Schritt i, kann jedoch auch Auswirkungen auf die Ausführung eines benachbarten Schrittes i-1 oder i+1 haben. Aufgrund einer Verzögerung der auf die Energiezufuhr folgenden Beschleunigung kann die zur Ausführung des jeweiligen Schrittes i zugeführte Energie deshalb beispielsweise auch durch eine Er¬ höhung bzw. Verringerung der zugeführten Energie in einem be¬ nachbarten Schritt i-1 bzw. i+1 angepasst werden.
Sowohl Drehzahl als auch Schrittzeit sind typischerweise abhän- gig von der dem Schrittmotor zugeführten Energie. Es kann also die zugeführte Energie verringert bzw. vergrößert werden, um so eine Korrektur der Ist-Schritt zeiten zu erreichen. Die Ernied¬ rigung bzw. Erhöhung der im jeweiligen Schritt i zugeführten Energie kann dabei in einer späteren Periode, die auf jene Pe- riode folgt, in der die Vielzahl der Ist—Schritt zeiten ti, t2, tlf tN bestimmt werden, erfolgen. Vorzugsweise folgt die Periode, in der die dem Schrittmotor zugeführte Energie im je¬ weiligen Schritt i vergrößert bzw. verringert wird, unmittelbar auf die zumindest eine der Perioden, in der die Ist-Schritt zeit ti bestimmt worden ist. In der späteren Periode kann so gegebe¬ nenfalls erneut die Abweichung At1=t1'-t1 der Ist-Schritt zeiten ti, t2, ti, tN von den entsprechenden Soll-Schritt zeiten ti', t- 2 ' r ···, ti', tN ' bestimmt werden. Diese kann in einer noch späteren Periode weiter verringert werden. Durch eine An¬ passung der Menge der zugeführten Energie über mehrere Perio¬ den, kann so idealerweise eine Konvergenz der Ist-Schritt zeiten ti, t2, ..·, ti, tN und der entsprechenden Soll-Schritt zeiten ti', t2 ', ..·, ti', tN ' erreicht werden. So können die vorgege¬ bene, wohldefinierte Drehzahl und/oder der vorgegebene wohlde¬ finierte Drehmomentverlauf erreicht werden.
Energie kann dem Schrittmotor im jeweiligen Schritt vorzugswei¬ se dadurch zugeführt werden, dass ein elektrischer Strom mit einer bestimmbaren Stromstärke und/oder Spannung zugeführt wird. Die dem Schrittmotor im jeweiligen Schritt zugeführte Energie wird vorzugsweise dadurch verringert bzw. erhöht, dass die dem Schrittmotor zugeführte Stromstärke verringert bzw. er¬ höht wird. Alternativ kann beispielsweise auch die Spannung ge¬ ändert werden. Außerdem kann die Energie auch durch einen ge¬ pulsten elektrischen Strom zugeführt werden. Die Ist-Schritt¬ zeit wird dann vorzugsweise dadurch angepasst, dass die Puls¬ breite des gepulsten elektrischen Stroms verringert bzw. erhöht wird .
Die zur Ausführung des jeweiligen Schrittes zugeführte Energie kann um einen Prozentsatz von zumindest 0,2 %, bevorzugt zumin¬ dest 0,5 %, besonders bevorzugt zumindest 0,8 % und/oder höchs¬ tens 5 %, bevorzugt höchstens 2 %, besonders bevorzugt höchs¬ tens 1,3 % verringert werden, wenn die Ist-Schritt zeit kleiner ist als die entsprechende Soll-Schrittzeit, und/oder erhöht werden, sofern die Ist-Schritt zeit größer ist als die entspre¬ chende Soll-Schritt zeit .
Vorzugsweise kann zusätzlich zur Regelung der Schritt zeiten ei- ne übergeordnete Regelung der Drehzahl vorgesehen sein. Dies ist beispielsweise vorteilhaft, wenn die Korrektur der einzel¬ nen Schritt zeiten ti, t2, ti, tN, in einer Periode, die auf jene Periode folgt, in der die Vielzahl von Ist-Schritt Zei¬ ten bestimmt werden, insgesamt zu einer Veränderung einer Ge- samt-Drehzahl führt. Die Gesamt-Drehzahl kann beispielsweise über die Dauer dieser späteren Periode gemittelt gemessen wer¬ den. Die Regelung der Drehzahl geschieht vorzugsweise dadurch, dass eine Ist-Dauer T zumindest einer der Perioden bestimmt wird, eine Soll-Dauer T ' dieser zumindest einen Periode vorge- geben wird, und die Soll-Schritt zeiten ti', . 2 ' , ti', tN ' für diese oder eine folgende Periode so angepasst werden, dass die Abweichung ΔΤ=Τ'-Τ der Ist-Dauer T von der Soll-Dauer T ' verringert wird. Die Korrektur ti'+Ati' der Soll-Schritt zeiten ti', t2 ... , ti', tN ' kann daher auf einer Abweichung ΔΤ=Τ'-Τ der Ist-Dauer T von der Soll-Dauer T ' basieren. Dazu wird bei¬ spielsweise ein Basiswert der Soll-Schritt zeit korrigiert. Dieser Basiswert ist der Wert der Soll-Schritt zeit aus der zumindest einen der Perioden, in der die Ist-Dauer der Periode bestimmt wurde. In einer späteren Periode kann dann der korri- gierte Wert ti'+Ati' als neue Soll-Schritt zeit vorgegeben wer¬ den. Vorzugsweise werden die Soll-Schritt zeiten in einer auf die Periode der Ist-Dauer T unmittelbar folgenden Periode kor¬ rigiert und der korrigierte Wert nunmehr vorgegeben. Bei der Korrektur At± ' kann es sich beispielsweise um eine relative Korrektur handeln A ± '=ΔΤ/Τ * ti', die proportional zur Abwei¬ chung ΔΤ ist .
Vorzugsweise wird bei der Bestimmung der Ist-Dauer der zumin¬ dest einen Periode, die Ist-Dauer von zumindest einer Periode, bevorzugt von zumindest drei Perioden, besonders bevorzugt von zumindest fünf Perioden und/oder von höchstens zwanzig Perio¬ den, bevorzugt von höchstens fünfzehn Perioden, besonders be¬ vorzugt von höchstens zehn Perioden bestimmt. Die Regelung der dem Schrittmotor zugeführten Energie kann ty¬ pischerweise durch einen Regler geschehen. Der Regler kann in einem elektrischen Regelkreis die Soll-Schritt zeiten, also die Führungsgröße, mit den Ist-Schritt zeiten, also der Regelgröße vergleichen. Aus dem Unterschied, der auch als Regelabweichung bezeichnet werden kann, kann die Stellgröße, also vorzugsweise die zugeführte elektrische Energie, ermittelt und entsprechend eingestellt werden. Vorzugsweise ist der Regler ein PI-Regler oder ein P-Regler. Der PI-Regler ist beispielsweise ein linearer Standard-Regler mit einem proportionalen und integralem Verhalten, d. h. einer Überlagerung aus einer Sprungantwort und einer proportionalen Antwort. Der P-Regler weist beispielsweise eine charakteristi¬ sche Sprungantwort auf.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren bei¬ spielhaft erläutert werden, ohne die Erfindung auf die dort dargestellten Ausführungsformen zu beschränken. Gleiche Bezugs¬ zeichen kennzeichnen dabei gleiche oder entsprechende Merkmale. Die in den Beispielen beschriebenen Merkmale können auch zwi¬ schen den Beispielen kombiniert werden und unabhängig vom kon¬ kreten Beispiel realisiert sein. Es zeigen:
Figur 1 einen beispielhaften Schrittmotor zum Antrieb eines
Gerotors,
Figur 2 einen beispielhaften Verlauf der Kommutierzeit in Ab¬ hängigkeit vom Umdrehungswinkel ohne Korrektur, Figur 3 einen beispielhaften Verlauf der Kommutierzeit in Ab¬ hängigkeit vom Umdrehungswinkel mit Adaption.
Figur 1 zeigt einen beispielhaften Schrittmotor zum Antrieb ei- nes Gerotors. Der Gerotor weist einen inneren (10) und einen äußeren Rotor (11) auf, wobei der innere Rotor n = 4 Zähne (14) hat und der äußere Rotor n+1 = 5 Zähne (14) hat. Die beiden Ro¬ toren (10, 11) können jeweils verzahnt rotieren, wobei der in¬ nere Rotor (10) exzentrisch zum äußeren Rotor (11) gelagert ist. Zwischen den Zähnen (14) des inneren (10) und des äußeren Rotors (11) entstehen aufgrund der Geometrie des Gerotors n =4 verschieden große Volumina. Aufgrund der Verzahnung von innerem (10) und äußerem Rotor (11) kann das Volumen zwischen den Zäh¬ nen (14) bei der Rotation jeweils expandieren bzw. kontrahie- ren. So kann, mittels eines so entstehenden Über- bzw. Unter¬ drucks in den jeweiligen Volumina, eine Flüssigkeit gepumpt werden. Die Flüssigkeit wird dabei in den Eingang (13) herein¬ gesogen und anschließend aus dem Ausgang (12) herausgedrückt. Der Gerotor dreht sich dabei im Uhrzeigersinn (15) und ist in einem runden Gehäuse (16) gelagert, dass konzentrisch zur Dreh¬ achse des inneren Rotors (10) ist. In dem Gehäuse (16) befinden sich auch Löcher zur Fixierung.
Figur 2 zeigt einen beispielhaften Verlauf (3) einer Schritt- zeit, die beispielsweise eine Kommutierzeit (1) ist, in Abhän¬ gigkeit von einem Umdrehungswinkel (2) eines Schrittmotors. Der Verlauf (3) der Schrittzeit (1) als Funktion des Umdrehungswin¬ kels (2) des Schrittmotors weist leichte Schwankungen um den Sollwert (4) auf. Nach fünf Umdrehungen (8) des Schrittmotors, hat das Lastgerät eine volle Periode durchlaufen und kehrt wie¬ der in seinen Ausgangs zustand zurück. Insgesamt werden zwei volle Perioden gezeigt, die jeweils fünf den Sollwert (4) er¬ reichende Maxima in der Schrittzeit (1) aufweisen und fünf je¬ weils deutlich unterhalb des Sollwerts (4) liegende Minima. Diese DrehmomentSchwankungen bezeichnet man auch als Drehmo- mentrippel (9) . Es treten also insgesamt fünf Drehmomentrippel (9) auf. Ursache der Drehmomentrippel (9) ist zum Beispiel eine Unwucht im Lastgerät oder die Konstruktionsweise des Schrittmo¬ tor mit mehreren Statorspulen. Die individuellen Drehmoment rip- pel (9) des Schrittmotors und des Lastgeräts koppeln aneinander und ergeben so die fünf dargestellten Drehmomentrippel (9) .
Figur 3 zeigt einen beispielhaften Verlauf (3) der Schrittzeit bzw. Kommut ier zeit (1) als Funktion des Umdrehungswinkels (2) des Schrittmotors. Wiederum sind zwei Perioden gezeigt. Der
Verlauf der Kommut ierzeit (1) in der ersten Periode ist analog zu dem in Figur 2 gezeigten strukturiert. Es treten wieder fünf Maxima und gleichfalls fünf unterhalb des Sollwerts (4) befind¬ liche Minima auf. Es sind nun jedoch N=9 Regelungspunkte (5) gezeigt, die zum Beispiel einzelne Schritte des Schrittmotors sein können. Der Schrittmotor durchläuft bei jeder Umdrehung eine Mehrzahl von Schritten. Es werden für eine Vielzahl von Schritten 1 bis N=9 jeweils Sollwerte (4) ti', .2 ', t ' , tg' bzw. Soll-Schritt zeiten vorgegeben. Außerdem werden Ist- Werte der Schrittzeit (1) bzw. Kommut ierzeit ti, t2,..., tg be¬ stimmt, wobei ti die tatsächlich auftretende Ist-Schritt zeit bzw. Kommut ier zeit des Schrittes i ist. An den Regelungspunkten 1 bis N=9 findet nun eine Adaptierung (6) der Ist-Schritt Zei¬ ten (1) bzw. Ist-Werte der Kommut ierzeit ti, t2,..., tg an die Sollwerte (4) bzw. Soll-Schritt zeiten ti', t.2 ', ti', tg ' statt. Dabei werden die Ist-Werte ti am Regelungspunkt i mit den entsprechenden Sollwerten verglichen. Entsprechend der
Abweichung At1=t1 '-t1 kann die Kommut ier zeit (1) bzw. Ist- Schrittzeit korrigiert werden. Dieser Vorgang wird vorzugsweise durch Verringern bzw. Vergrößern der während einer Kommutierung bzw. eines Schrittes i zugeführten Energie ausgeführt. Wenn die Ist-Schritt zeit bzw. der Ist-Wert der Kommut ierzeit (1) bei¬ spielsweise kleiner ist als der Sollwert (4), kann die zuge¬ führte Energie in einer späteren Periode verringert werden. Wenn die Ist-Schritt zeit bzw. Kommut ier zeit (1) größer ist als der Sollwert (4), kann die zugeführte Energie erhöht werden. Die zur Ausführung des jeweiligen Schrittes i zugeführte Ener¬ gie wird vorzugsweise im Schritt i direkt angepasst. Die Ener¬ giezufuhr in einem Schritt i, kann jedoch auch Auswirkungen auf die Ausführung eines benachbarten Schrittes i-1 oder i+1 haben. Aufgrund einer Verzögerung der auf die Energiezufuhr folgenden Beschleunigung kann die zur Ausführung des jeweiligen Schrittes i zugeführte Energie deshalb alternativ auch durch eine Erhö¬ hung bzw. Verringerung der zugeführten Energie in einem benach¬ barten Schritt i-1 bzw. i+1 erhöht bzw. verringert werden. Die¬ se Korrektur der zugeführten Energie wird vorzugsweise in der auf die Messung der Abweichung unmittelbar folgenden Periode ausgeführt. In der Folge weist die zweite adaptierte Periode (7) deutlich geringere Schwankungen der Ist-Schritt zeit bzw. Kommutierzeit (1) um die Sollwerte (4) auf. Die Drehmomentrip- pel (9) sind geglättet. Die Menge der zugeführten Energie wird vorzugsweise dadurch angepasst, dass die Stromstärke, die Span¬ nung oder bei einem gepulsten Strom die Pulsbreite variiert wird, wobei die Regelung vorzugsweise durch einen PI-Regler er¬ folgt. In der adaptierten Periode (7) wird vorzugsweise die tatsächliche Ist-Dauer der Periode gemessen und an eine vorge¬ gebene Soll-Dauer angepasst. Dies kann durch eine Änderung der Sollwerte (4) bzw. der vorgegebenen Soll-Schritt zeiten ti', t- 2 ' r —r ti', tg ' in einer späteren Periode geschehen, wobei die Änderung auf der Abweichung der Ist-Dauer von der Soll- Dauer dieser Periode basiert.

Claims

Verfahren zum Antrieb eines Lastgeräts durch einen
Schrittmotor, wobei
der Schrittmotor bei jeder Umdrehung eine Mehrzahl von Schritten durchläuft,
das Lastgerät nach einer bestimmten Anzahl (8) von Umdre¬ hungen des Schrittmotors mit einer Periode periodisch wie¬ derkehrend einen Ausgangs zustand erneut erreicht,
für eine Vielzahl von in einer der Perioden durchlaufenen Schritten des Schrittmotors Soll-Schritt zeiten (4) vorge¬ geben sind,
eine Vielzahl von entsprechenden tatsächlichen Ist- Schritt zeiten (1), die in zumindest einer der Perioden vorkommen, bestimmt werden, und
in einer Periode, die auf jene Perioden folgt, in der die Vielzahl der Ist-Schritt zeiten bestimmt werden, eine zur Ausführung des jeweiligen Schrittes zugeführte Energie verringert wird, sofern die Ist-Schritt zeit (1) kleiner ist als die entsprechende Soll-Schritt zeit (4), und/oder die zur Ausführung des jeweiligen Schrittes zugeführte Energie erhöht wird, sofern die Ist-Schritt zeit (1) größer ist als die entsprechende Soll-Schritt zeit (4) .
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Lastgerät eine Pumpe ist, bevorzugt eine Kraftstoffpumpe, besonders bevorzugt ein Gerotor.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schrittmotor ein Gleichstrommotor, ein Synchronmotor und/oder ein Reluktanz-Schrittmotor, ein Permanentmagnet- Synchronmotor oder ein Hybridschrittmotor ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobe die zur Ausführung des jeweiligen Schrittes zugeführte Energie um einen Prozentsatz von zumindest 0,2 %, bevor¬ zugt zumindest 0,5 %, besonders bevorzugt zumindest 0,8 % und/oder höchstens 5 %, bevorzugt höchstens 2 %, besonders bevorzugt höchstens 1,3 % verringert wird, wenn die Ist- Schrittzeit (1) kleiner ist als die entsprechende Soll-
Schrittzeit (4), und/oder erhöht wird, wenn die Ist- Schrittzeit (1) größer ist als die entsprechende Soll- Schrittzeit (4) .
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dem Schrittmotor zugeführte Energie dadurch erhöht wird, dass eine dem Schrittmotor zugeführte elektrische Stromstärke und/oder eine dem Schrittmotor zugeführte Spannung vergrößert wird und/oder die dem Schrittmotor zu geführte Energie dadurch verringert wird, dass eine dem Schrittmotor zugeführte elektrische Stromstärke und/oder eine dem Schrittmotor zugeführte Spannung verringert wird
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dem Schrittmotor zugeführte Energie mittels eines ge¬ pulsten elektrischen Stroms zugeführt wird, und die dem Schrittmotor zugeführte Energie dadurch erhöht wird, dass eine Pulsbreite des gepulsten elektrischen Stroms vergrö¬ ßert wird, und/oder die dem Schrittmotor zugeführte Ener¬ gie dadurch verringert wird, dass die Pulsbreite des ge¬ pulsten elektrischen Stroms verkleinert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dem Schrittmotor zugeführte Energie mittels zumindest eines PI-Reglers und/oder zumindest eines P-Reglers er¬ höht und/oder verringert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Ist-Dauer zumindest einer der Perioden bestimmt wird, eine Soll-Dauer dieser zumindest einen Periode vorgegeben wird,
Soll-Schritt zeiten (4) für diese oder eine folgende Perio¬ de so angepasst werden, dass die Abweichung der Ist-Dauer von der Soll-Dauer verringert wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei
bei der Bestimmung der Ist-Dauer der zumindest einen Peri¬ ode, die Ist-Dauer von zumindest einer Periode, bevorzugt von zumindest drei Perioden, besonders bevorzugt von zu¬ mindest fünf Perioden und/oder von höchstens zwanzig Peri¬ oden, bevorzugt von höchstens fünfzehn Perioden, besonders bevorzugt von höchstens zehn Perioden bestimmt wird, und vorzugsweise die bei der Bestimmung der Ist-Dauer der zu¬ mindest einen Periode verwendeten Perioden der zum Zeit¬ punkt der Bestimmung jeweils unmittelbar durchlaufenen Pe¬ riode direkt vorangehen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zur Ausführung des jeweiligen Schrittes zugeführte Energie in diesem Schritt selber und/oder einem benachbar¬ ten Schritt zugeführt wird, vorzugsweise in diesem Schritt selber .
Periodisch arbeitende Vorrichtung, aufweisend einen
Schrittmotor und ein Lastgerät, wobei die periodisch ar¬ beitende Vorrichtung so eingerichtet ist, dass
bei jeder Umdrehung des Schrittmotors der Schrittmotor ei¬ ne Mehrzahl von Schritten durchläuft,
nach einer bestimmten Anzahl (8) von Umdrehungen des Schrittmotors mit einer Periode periodisch wiederkehrend ein Ausgangs zustand des Lastgeräts erneut erreicht wird, für eine Vielzahl von in einer der Perioden durchlaufenen Schritten des Schrittmotors Soll-Schritt zeiten (4) vorgeb¬ bar sind, eine Vielzahl von entsprechenden tatsächlichen Ist- Schritt zeiten (1), die in zumindest einer der Perioden vorkommen, bestimmbar sind, und
in einer Periode, die auf jene Perioden folgt, in der die Vielzahl der Ist-Schritt zeiten bestimmt werden, eine zur
Ausführung des jeweiligen Schrittes zugeführte Energie verringerbar ist, sofern die Ist-Schritt zeit (1) kleiner ist als die entsprechende Soll-Schritt zeit (4), und/oder die zur Ausführung des jeweiligen Schrittes zugeführte Energie vergrößerbar ist, sofern die Ist-Schritt zeit (1) größer ist als die entsprechende Soll-Schritt zeit (4) .
12. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei mit der Vorrichtung ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ausführbar ist.
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