WO2025201599A1 - Verfahren zum steuern/regeln eines schrittmotors, steuereinheit und schrittmotor - Google Patents

Verfahren zum steuern/regeln eines schrittmotors, steuereinheit und schrittmotor

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Definitions

  • the present invention relates to a method for controlling/regulating a stepper motor whose stator windings are controlled via a full-bridge circuit with switching elements, wherein the switching elements can be controlled such that a fast decay mode or a slow decay mode can be selected. Furthermore, the invention relates to a control unit configured and programmed to carry out the method, as well as to a stepper motor with the full-bridge circuit and the control unit.
  • a stepper motor can be used, for example, to control an expansion valve of a heat pump.
  • sinusoidal currents are applied to the stator windings of the stepper motor.
  • a common problem is choosing between different decay modes of a full-bridge circuit used to control the stator windings of the stepper motor when the target current is decreasing. While a slow decay mode generates the smallest possible current fluctuation, the current is not reduced quickly enough, especially at high gradients and small output amplitudes. While the fast decay mode allows the current to decay significantly faster, it usually does so too rapidly. This leads to significantly higher current fluctuations and possibly the need to recharge the current in the stator windings. However, the current fluctuations around the target current should be kept as small as possible to avoid noise and unnecessary losses.
  • Control circuits and control methods for stepper motors are known, for example, from DE 102016 000 847 A1, DE 11 2015 005 791 T5, US 2015 / 0 015 177 A1, and US 2010 / 0 157 635 A1.
  • a predetermined component is controlled in the fast or slow decay mode in the second half of the falling sine quadrant.
  • the fast decay mode or the slow decay mode can be set in a software interrupt.
  • the software interrupt can be triggered when a current limit is reached during the PWM period or a target current is not reached during the PWM period. Accordingly, the appropriate decay mode is set for the next PWM clock cycle.
  • the software interrupt can be configured to fast decay mode if the charging cycle time is less than a first threshold. Falling below the first threshold means that the current in the stator windings is already in the current limit range (or even above it).
  • a faster current decay is achieved, especially in the second quadrant of the sine wave. Consequently, the sinusoidal shape of the current can be more accurately imprinted.
  • the fast decay mode can only be activated if the charging cycle time is a predefined number of times less than the first threshold.
  • the predefined number of times can be set to a value of 3 or greater. If the number of times is exceeded, the decay mode of the last PWM period can be retained. This ensures that the fast decay mode is not activated immediately upon the first undershoot of the first threshold.
  • the software interrupt can be configured to use the slow decay mode if the charging cycle time is greater than a second threshold. Exceeding the second threshold means that rapid decay is no longer necessary because current had to be rebuilt. Setting the slow decay mode then ensures that no rapid decay occurs. Discharge occurs during a period of a low PWM level (“PWM off”) in the PWM period.
  • PWM off a low PWM level
  • the decay mode of the last PWM period can be maintained in the software interrupt if the charging cycle time is greater than or equal to the first threshold and less than or equal to the second threshold. As already mentioned, this avoids unnecessary switching between the decay modes.
  • control unit configured and programmed to execute the method according to the above aspects.
  • This control unit can receive or determine the charging cycle time and control the switching elements of the full-bridge circuit according to the set decay mode.
  • a stepper motor with a full-bridge circuit that controls the stator windings of the stepper motor and has switching elements is disclosed.
  • the switching elements are controllable such that a fast decay mode or a slow decay mode can be selected.
  • the stepper motor has the control unit according to the above aspect.
  • the method, the control unit, and the stepper motor can be used to control an expansion valve of a heat pump.
  • the heat pump can preferably be used in a vehicle.
  • Fig. 1 is a flowchart for generating a PWM control signal for controlling/regulating a stepper motor
  • step S103 the debounce counter is compared with a predefined number of times. If the debounce counter exceeds the predefined number of times, the software interrupt proceeds to step S104, and the decay mode is set to fast decay mode. The software interrupt is then terminated, and the flowchart in Fig. 1 returns.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Stepping Motors (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern/Regeln eines Schrittmotors. Die Statorwicklungen des Schrittmotors werden über eine Vollbrückenschaltung mit Schaltelementen angesteuert. Die Schaltelemente sind derart steuerbar, dass ein Schnellabklingmodus oder ein Langsamabklingmodus einstellbar ist. Dabei wird eine Ladezykluszeit in einer Pulsweitenmodulations (PWM)-Periode gespeichert und der Schnellabklingmodus oder der Langsamabklingmodus für die nächste PWM-Periode wird entsprechend der Ladezykluszeit eingestellt. Die Erfindung betrifft außerdem eine Steuereinheit und einen Schrittmotor mit der Vollbrückenschaltung und der Steuereinheit.

Description

Verfahren zum Steuern/Reqeln eines Schrittmotors, Steuereinheit und Schrittmotor
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern/Regeln eines Schrittmotors, dessen Statorwicklungen über eine Vollbrückenschaltung mit Schaltelementen angesteuert werden, wobei die Schaltelemente derart steuerbar sind, dass ein Schnellabklingmodus oder ein Langsamabklingmodus einstellbar ist. Außerdem betrifft die Erfindung eine Steuereinheit, die ausgebildet und programmiert ist, das Verfahren auszuführen, sowie einen Schrittmotor mit der Vollbrückenschaltung und der Steuereinheit.
Ein Schrittmotor kann beispielsweise zur Ansteuerung eines Expansionsventils einer Wärmepumpe verwendet werden. Zur Ansteuerung des Schrittmotors sollen sinusförmige Stromverläufe in Statorwicklungen des Schrittmotors angelegt werden.
Eine übliche Problematik dabei ist, bei abfallendem Zielstrom zwischen verschiedenen Abklingmodi einer Vollbrückenschaltung, über die die Statorwicklungen des Schrittmotors angesteuert wird, zu wählen. Ein Langsamabklingmodus erzeugt zwar eine möglichst kleine Stromschwankung, der Strom wird allerdings insbesondere bei hohen Gradienten und kleinen Ausgangsamplituden, nicht schnell genug abgebaut. Der Schnellabklingmodus lässt den Strom zwar deutlich schneller, aber dafür meist zu stark abklingen. Dies führt zu deutlich höheren Stromschwankungen und ggf. der Notwendigkeit, den Strom in den Statorwicklungen wieder nachzuladen. Die Stromschwankungen um den Zielstrom sollten jedoch möglichst klein gehalten werden, um Störgeräusche und unnötige Verluste zu vermeiden.
Ansteuerschaltungen und Steuerverfahren für Schrittmotoren sind beispielsweise aus DE 102016 000 847 A1 , DE 11 2015 005 791 T5, US 2015 / 0 015 177 A1 und US 2010 / 0 157 635 A1 bekannt. Bei dem bekannten Stand der Technik wird in der zweiten Hälfte des abfallenden Sinus-Quadranten ein vorgegebener Anteil im Schnell- bzw. Langsamabklingmodus gesteuert vorgeben. Zudem soll eine Einstellung der Modi mit möglichst wenig Vorwissen, z.B. über Stromamplitude, Drehzahl, Motorparameter, Last, Temperatur, usw. möglich sein, da systembedingt oftmals nur wenige Informationen bzw.
Eingriffsmöglichkeiten zur Verfügung stehen. Eingriffsmöglichkeiten sind eine Festlegung einer Strom lim itierung für den hardwarebasierten Stromregler, bei der der Lademodus abgebrochen wird, eine Vorgabe des Abklingmodus für den PWM- Aus-Zyklus und eine Möglichkeit, den Abklingmodus direkt oder am Ende der PWM- Periode zu setzen. Als Information steht der Zeitpunkt innerhalb der PWM-Periode, zu dem die Stromlimitierung erreicht wurde und damit in den eingestellten Abklingmodus gewechselt wird, zur Verfügung.
Innerhalb der Elektronik kommt zur Stromregelung eine Stromlimitierungsschaltung zum Einsatz, die mit einer Stromlimitierung, d.h. einem Maximalstrom, programmiert wird. Der Strom selbst kann nicht erfasst werden. Allerdings kann der Zeitpunkt innerhalb einer PWM-Periode, bei dem die Abschaltung durch den Stromlimitierungsschaltung erfolgt, ermittelt werden.
Ausgehend davon, ist es Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Technik zum Steuern/Regeln eines Schrittmotors, dessen Statorwicklungen über eine Vollbrückenschaltung mit Schaltelementen angesteuert werden, wobei die Schaltelemente derart steuerbar sind, dass ein Schnellabklingmodus oder ein Langsamabklingmodus einstellbar ist, bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen gemäß der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Offenbart ist ein Verfahren zum Steuern/Regeln eines Schrittmotors. Statorwicklungen des Schrittmotors werden über eine Vollbrückenschaltung, die Schaltelemente aufweist, angesteuert. Die Schaltelemente sind dabei derart steuerbar, dass ein Schnellabklingmodus oder ein Langsamabklingmodus einstellbar ist. Bei dem Verfahren wird eine Ladezykluszeit in einer Pulsweitenmodulations (PWM)-Periode gespeichert. Die Ladezykluszeit entspricht einer Dauer, in der die Vollbrückenschaltung („PWM-An“) angeschaltet ist, so dass Strom durch die Statorwicklungen fließt. Der Schnellabklingmodus oder der Langsamabklingmodus für die nächste PWM-Periode wird dann entsprechend der Ladezykluszeit, d.h. der Dauer von PWM-An, eingestellt. Demnach kann auf einfache und robuste Weise erkannt werden, wann für die nächste PWM-Periode der Schnellabklingmodus benötigt wird oder der Langsamabklingmodus ausreicht.
Der Schnellabklingmodus oder der Langsamabklingmodus kann in einem Software-Interrupt eingestellt werden. Der Software-Interrupt kann ausgelöst werden, wenn eine Strom lim itierung während der PWM-Periode erreicht wird oder ein Zielstrom während der PWM-Periode nicht erreicht wird. Demzufolge wird für einen nächsten PWM-Takt der angemessene Abklingmodus eingestellt.
Insbesondere kann in dem Software-Interrupt der Schnellabklingmodus eingestellt werden, wenn die Ladezykluszeit kleiner als ein erster Schwellwert ist. Das Unterschreiten des ersten Schwellwerts bedeutet, dass der Strom in den Statorwicklungen bereits im Bereich der Stromlimitierung (oder auch darüber) ist. Durch Festlegen des Schnellabklingmodus wird ein schnellerer Abfall des Stroms, vor allem im zweiten Quadranten der Sinusschwingung, erhalten. Demzufolge kann die Sinusform des Stroms genauer eingeprägt werden.
Mit Vorteil kann der Schnellabklingmodus nur eingestellt werden, wenn die Ladezykluszeit eine vorgegebene Anzahl von Malen kleiner als der erste Schwellwert ist. Die vorgegebene Anzahl von Malen kann beispielsweise auf einen Wert von 3 oder größer festgelegt sein. Bei Unterschreiten der Anzahl von Malen kann der Abklingmodus der letzten PWM-Periode beibehalten werden. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der Schnellabfallmodus nicht gleich bei der ersten Unterschreitung des ersten Schwellwerts eingestellt wird.
Weiterhin kann in dem Software-Interrupt der Langsamabklingmodus eingestellt werden, wenn die Ladezykluszeit größer als ein zweiter Schwellwert ist. Das Überschreiten des zweiten Schwellwerts bedeutet, dass schnelles Abklingen nicht mehr notwendig ist, weil wieder Strom aufgebaut werden musste. Durch Festlegen des Langsamabklingmodus wird dann sichergestellt, dass keine schnelle Entladung während einer Dauer eines niedrigen PWM-Pegels („PWM-Aus“) in der PWM-Periode erfolgt.
Dabei kann der zweite Schwellwert größer als der erste Schwellwert sein. Demzufolge wird eine Regelhysterese erhalten und es erfolgt nicht ständig ein Hin- und Herwechseln zwischen den Abklingmodi.
Bevorzugt kann ein Zähler bzw. Entprellzähler zum Erfassen der vorgegebenen Anzahl von Malen zurückgesetzt werden, wenn die Ladezykluszeit größer als der zweite Schwellwert ist. Demnach wird der Zähler neu initialisiert, so dass bei einem erneuten Erreichen der Stromlimitierung ein korrekter Wechsel in den Schnellabklingmodus erfolgt.
Weiterhin kann in dem Software-Interrupt der Abklingmodus der letzten PWM- Periode beibehalten werden, wenn die Ladezykluszeit größer gleich dem ersten Schwellwert und kleiner gleich dem zweiten Schwellwert ist. Wie bereits erwähnt, wird auf diese Weise ein unnötiges Hin- und Herwechseln zwischen den Abklingmodi vermieden.
Offenbart ist außerdem eine Steuereinheit, die ausgebildet und programmiert ist, das Verfahren gemäß der obigen Aspekte auszuführen. Dies Steuereinheit kann dazu die Ladezykluszeit empfangen bzw. ermitteln und die Schaltelemente der Vollbrückenschaltung entsprechend dem eingestellten Abklingmodus ansteuern.
Weiterhin offenbart ist ein Schrittmotor mit einer Vollbrückenschaltung, die Statorwicklungen des Schrittmotors ansteuert und Schaltelemente aufweist. Die Schaltelemente sind derart steuerbar, dass ein Schnellabklingmodus oder ein Langsamabklingmodus einstellbar ist. Der Schrittmotor weist die Steuereinheit gemäß dem obigen Aspekt auf.
Das Verfahren, die Steuereinheit und der Schrittmotor können dabei zum Ansteuern eines Expansionsventils einer Wärmepumpe verwendet werden. Die Wärmepumpe kann dabei bevorzugt in einem Fahrzeug eingesetzt werden. Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren im Detail beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein Ablaufdiagramm zum Erzeugen eines PWM-Ansteuersignals zum Steuern/Regeln eines Schrittmotors; und
Fig. 2 ein Ablaufdiagramm eines Software-Interrupts, in dem ein Abklingmodus für eine nächste PWM-Periode eingestellt wird.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Die Beschreibung der Ausführungsformen soll jedoch als nicht abschließend anzusehen sein.
Mit dem Verfahren wird ein Schrittmotor gesteuert bzw. geregelt. Dazu werden Statorwicklungen des Schrittmotors über eine Vollbrückenschaltung, die Schaltelemente aufweist, angesteuert. Die Schaltelemente sind derart steuerbar, dass ein Schnellabklingmodus oder ein Langsamabklingmodus einstellbar ist. Derartige Vorrichtungen sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt.
Fig. 1 zeigt ein Ablaufdiagramm zum Erzeugen eines PWM-Ansteuersignals zum Steuern/Regeln des Schrittmotors. Nach einem Start erfolgt in Schritt S1 eine Initialisierung mit dem Langsamabklingmodus. In einem darauf folgenden Schritt S2 wird eine PWM-Periode gestartet und die Ladezykluszeit wird auf null gesetzt. In Schritt S3 wird geprüft, ob eine Stromlimitierung, d.h. ein Maximalstrom, erreicht ist.
Für den Fall, dass die Stromlimitierung in Schritt S3 nicht erreicht ist, wird Schritt S4 ausgeführt, in dem die Ladezykluszeit erhöht wird. Demzufolge befindet sich die Vollbrücke in "PWM-An", solange die Strom lim itierung nicht überschritten ist. Auf diese Weise wird der Strom in den Statorwicklungen des Schrittmotors in Richtung eines Sättigungswerts aufgebaut.
In dem darauffolgenden Schritt S5 wird geprüft, ob die PWM-Periode abgeschlossen ist oder nicht. Für den Fall, dass die PWM-Periode nicht abgeschlossen ist, wird zu Schritt S3 zurückgegangen, in dem geprüft wird, ob die Strom lim itierung erreicht ist oder nicht.
Für den Fall, dass die PWM-Periode abgeschlossen ist, wird zu Schritt S100 weitergegangen, in dem die Ladezykluszeit gespeichert und ein Software-Interrupt ausgelöst wird. Der Software-Interrupt in Schritt S100 wird weiter unten im Detail beschrieben. Nach Schritt S100 kehrt das Verfahren zur Schritt S2 zurück und es wird eine neue PWM-Periode gestartet.
Für den Fall, dass die Stromlimitierung in Schritt S3 erreicht wird, wird Schritt S100 ausgeführt, in dem die Ladenzykluszeit gespeichert und der Software- Interrupt ausgelöst wird. Wie bereits erwähnt, wird der Software-Interrupt in S100 weiter unten im Detail beschrieben. Bei Überschreiten der Strom lim itierung wird die Vollbrückenschaltung in "PWM-Aus" geschaltet und der Strom in den Statorwicklungen wird entsprechend dem eingestellten Abklingmodus abgebaut.
Nachfolgend wird Schritt S6 ausgeführt, in dem der Abklingmodus abgefragt und in der Vollbrückenschaltung eingestellt wird. In Schritt S7 wird geprüft, ob die PWM-Periode abgeschlossen ist.
Für den Fall, dass die PWM-Periode in Schritt S7 nicht abgeschlossen ist, wird zu Schritt S6 zurückgegangen. Für den Fall, dass die PWM-Periode in S7 abgeschlossen ist, wird zu Schritt S2 zurückgegangen und es wird eine neue PWM- Periode gestartet.
Der Software-Interrupt in S 100 wird nachfolgend unter Bezugnahme auf das in Fig. 2 gezeigte Ablaufdiagramm beschrieben. Wie bereits erwähnt, wird vor dem Auslösen des Software-Interrupts die Ladezykluszeit der gegenwärtigen PWM- Periode gespeichert. Im ausgelösten Software-Interrupt wird nun in Abhängigkeit von der Ladezykluszeit und einem Zähler (nachfolgend als Entprellzähler bezeichnet) der Abklingmodus gewählt. Hintergrund ist, dass eine kurze Ladezykluszeit bedeuten, dass der Strom nicht weit genug abgebaut werden konnte, während eine lange Ladezykluszeit bedeutet, dass der Strom schnell genug abgebaut wird. In Schritt S101 wird die Ladezykluszeit zunächst mit einem ersten Schwellwert verglichen. Liegt die Ladezykluszeit unterhalb des ersten Schwellwerts, wird in Schritt S102 der Entprellzähler um eins erhöht. In Schritt S103 wird der Entprellzähler mit einer vorgegebenen Anzahl von Malen verglichen. Übersteigt der Entprellzähler die vorgegebene Anzahl von Malen, geht der Software-Interrupt zu Schritt S104 und der Abklingmodus wird auf den Schnellabklingmodus festgelegt. Anschließend wird der Software-Interrupt beendet und zu dem Ablaufdiagramm aus Fig. 1 zurückgegangen.
Für den Fall, dass der Entprellzähler kleiner als die vorgegebene Anzahl von Malen in Schritt S103 ist, wird der gegenwärtige Abklingmodus gemäß Schritt S106 beibehalten. Anschließend wird der Software-Interrupt beendet und zu dem Ablaufdiagramm aus Fig. 1 zurückgegangen.
Für den Fall, dass in Schritt S101 bestimmt wird, dass die Ladezykluszeit größer gleich dem ersten Schwellwert ist, wird in Schritt S105 geprüft, ob die Ladezykluszeit größer als ein zweiter Schwellwert ist. Für den Fall, dass die Ladezykluszeit kleiner gleich dem zweiten Schwellwert ist, geht der Software- Interrupt zu Schritt S106 und der gegenwärtige Abklingmodus wird beibehalten. Anschließend wird der Software-Interrupt beendet und zu dem Ablaufdiagramm aus Fig. 1 zurückgegangen.
Für den Fall, dass die Ladezykluszeit größer als der zweite Schwellwert in S105 ist, geht der Software-Interrupt zu Schritt S107, in dem der Langsamabklingmodus eingestellt wird. Außerdem wird in Schritt S107 der Entprellzähler zurückgesetzt. Nach Abschluss von Schritt S107 wird der Software Interrupt beendet und es wird wieder zu dem Verfahren aus Fig. 1 zurückgekehrt.
Durch das oben beschriebene Verfahren kann ein Abklingmodus angemessen eingestellt werden, so dass vor allem in einem zweiten (und vierten) Sinusquadranten die Sinusform beibehalten werden kann.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zum Steuern/Regeln eines Schrittmotors, dessen Statorwicklungen über eine Vollbrückenschaltung mit Schaltelementen angesteuert werden, wobei die Schaltelemente derart steuerbar sind, dass ein Schnellabklingmodus oder ein Langsamabklingmodus einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ladezykluszeit in einer Pulsweitenmodulations (PWM)-Periode gespeichert wird, und der Schnellabklingmodus oder der Langsamabklingmodus für die nächste PWM-Periode entsprechend der Ladezykluszeit eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Schnellabklingmodus oder der Langsamabklingmodus in einem Software- Interrupt eingestellt wird, der ausgelöst wird, wenn eine Stromlimitierung während der PWM-Periode erreicht wird oder ein Zielstrom während der PWM-Periode nicht erreicht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Software-Interrupt der Schnellabklingmodus eingestellt wird, wenn die Ladezykluszeit kleiner als ein erster Schwellwert ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schnellabklingmodus nur eingestellt wird, wenn die Ladezykluszeit eine vorgegebene Anzahl von Malen kleiner als der erste Schwellwert ist, und ansonsten der Abklingmodus der letzten PWM-Periode beibehalten wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Software-Interrupt der Langsamabklingmodus eingestellt wird, wenn die Ladezykluszeit größer als ein zweiter Schwellwert ist.
6. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4 und Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schwellwert größer als der erste Schwellwert ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zähler zum Erfassen der vorgegebenen Anzahl von Malen zurückgesetzt wird, wenn die Ladezykluszeit größer als der zweite Schwellwert ist.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Software-Interrupt der Abklingmodus der letzten PWM-Periode beibehalten wird, wenn die Ladezykluszeit größer gleich dem ersten Schwellwert und kleiner gleich dem zweiten Schwellwert ist.
9. Steuereinheit, die ausgebildet und programmiert ist, das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen.
10. Schrittmotor mit einer Vollbrückenschaltung, die Statorwicklungen des Schrittmotors ansteuert und Schaltelemente aufweist, wobei die Schaltelemente derart steuerbar sind, dass ein Schnellabklingmodus oder ein Langsamabklingmodus einstellbar ist, gekennzeichnet durch die Steuereinheit gemäß Anspruch 9.
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