DE69617785T2

DE69617785T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung eines Schrittmotors

Info

Publication number: DE69617785T2
Application number: DE1996617785
Authority: DE
Inventors: Benjamin Eisenberger; Bernard Marteau
Original assignee: Magneti Marelli France SAS
Current assignee: Marelli France SAS
Priority date: 1995-04-07
Filing date: 1996-04-05
Publication date: 2002-09-05
Anticipated expiration: 2016-04-06
Also published as: DE69617785D1; ES2168448T3; FR2732835B1; BR9601267A; EP0736963B1; FR2732835A1; EP0736963A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Vorrichtungen zur Steuerung und Überwachung von Schrittmotoren.
Die allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Mittel vorzuschlagen, die eine exakte Kenntnis der Winkellage des Rotors eines Schrittmotors erlauben.
Schrittmotoren umfassen allgemein einen Stator, der einen magnetischen Kreis und mehrere (typischerweise zwei) Wicklungen aufweist, die N Paare von Polen, die abwechselnd Nord und Süd sind, definieren, sowie einen zum Stator koaxialen Rotor, welcher X Paare von Polen besitzt. Die Speisung der Wicklungen mittels einer kontrollierten elektrischen Spannung, beispielsweise Signalen, die proportional dem Sinus und Kosinus des gesuchten Winkels sind, erzeugt ein drehendes Magnetfeld, dem der Rotor folgt.
Schrittmotoren weisen Eigenschaften, insbesondere des Drehmoments, der Geschwindigkeit und Beschleunigung, auf, die sie zu verlockenden Geräten auf vielen Anwendungsgebieten machen.
Auf dem Kraftfahrzeugsektor beispielsweise wurde bereits seit zahlreichen Jahren ins Auge gefaßt, Schrittmotoren zur Lenkung von in vielen Armaturenbrettern integrierten Zeigeanzeigen zu verwenden, oder auch dazu, verschiedene mechanische Einrichtungen, wie eine Drosselklappe des Motors, zu führen. Schrittmotoren sind bis jetzt auf zahlreichen Gebieten nicht bekannt, die Entwicklung vorweggenommen.
Dies scheint insbesondere auf die Tatsache zurückzugehen, daß Schrittmotoren einen wesentlichen Nachteil aufweisen: Die Beobachtung der elektrischen Stromversorgungssignale gestattet es nicht, die Position des Rotors zu garantieren. Insbesondere zeigen Schrittmotoren bisweilen zufällige Schrittsprünge (Ausfall oder Vorrücken) beispielsweise unter dem Einfluß von mechanischen Blockierungen oder Einwirkungen auf, die von den Speisesignalen vollständig unabhängig sind.
Es ist natürlich versucht worden, diese Schwierigkeit zu überwinden. Die tatsächlichen Versuche waren jedoch nicht vollständig zufriedenstellend.
Beispielsweise ist vorgeschlagen worden, den Schrittmotoren Winkelgeber, insbesondere mechanische oder optische Winkelgeber zuzuordnen. Diese Lösung führt jedoch zu Strukturen, die komplex, unbequem und platzgreifend sind.
Es wurde in EP-A-0 382 887 auch ein Verfahren zur Betätigung eines Schrittmotors vorgeschlagen, welches die Initialisierung der Position desselben gestattet und darin besteht: den Motor so zu steuern, daß der Rotor oder ein mit dem Rotor verbundenes Element gegen mechanischen Anschlag bekannter Lage versetzt wird, die in einer nicht gespeisten und folglich am Antrieb nicht teilnehmenden Wicklung des Motors induzierte Spannung festzustellen, während wenigstens eine weitere Wicklung des Motors gespeist wird, und das Fehlen einer in der nicht gespeisten Wicklung induzierten Spannung als Ausdruck dafür, daß der mechanische Anschlag erreicht ist, zu interpretieren.
EP-A-0 403 691 schlägt ein weiteres Verfahren zur Initialisierung der Position eines Schrittmotors vor, welches darin besteht: den Motor so zu steuern, daß der Rotor oder ein mit dem Rotor verbundenes Element gegen einen mechanischen Anschlag bekannter Lage versetzt wird, und das Erreichen dieses Anschlags durch Abwechseln der Antriebszyklen des Motors mit Prüfzyklen festzustellen, in deren Verlauf eine der Wicklungen des Motors periodische Prüfsignale enthält, während man die induzierten Spannungen, die an den Klemmern einer anderen nicht gespeisten Wicklung gemessen werden, im Verlauf von zwei aufeinanderfolgenden Testzyklen vergleicht. Wenn die im Verlauf von zwei aufeinanderfolgenden Testzyklen an den Klemmen der nicht gespeisten Wicklung gemessenen induzierten Spannungen identisch sind, wird der Motor als stehend betrachtet, womit der mechanische Anschlag erreicht ist. Umgekehrt betrachtet das System den mechanischen Anschlag als nicht erreicht und den Motor als in Bewegung befindlich, wenn diese im Verlauf von zwei aufeinanderfolgenden Prüfzyklen gemessenen induzierten Spannungen voneinander verschieden sind.
FR-A-2 576 469 schlägt ein Überwachungsverfahren für einen Schrittmotor vor, welches darin besteht, die in einer nicht gespeisten Wicklung induzierte Spannung während der Speisung wenigstens einer weiteren Wicklung zu messen und entweder das Maximum, durch welches der Wert dieser induzierten Spannung geht, oder das Überschreiten einer Referenzschwelle durch diesen Wert zu messen, oberhalb der man der Ansicht ist, daß der · Schritt überschritten ist, um dem Durchgang eines gesteuerten Schritts gültig zu machen.
US-A-4 282 471 schlägt eine Überwachungsschaltung für einen Schrittmotor vor, welche zwei Operationsverstärker, die auf an jeweilige Wicklungen angelegte Erregungssignale empfindlich sind, wobei die Verstärker eine in einer nicht gespeisten Wicklung induzierte Spannung simulieren, und einen Komparator, welcher diese simulierte Spannung mit der an den Klemmen der nicht gespeisten Wicklung gemessenen Spannung vergleicht, aufweist, um die in dieser nicht gespeisten Wicklung erzeugte gegenelektromotorische Kraft herzuleiten.
EP-A-46 722 schlägt zur Überwachung der Blockade eines Schrittmotors vor, die Spannung an den Klemmen einer nicht gespeisten Wicklung zu messen, um die durch ein an eine andere Wicklung angelegtes Erregungssignal induzierte Spannung festzustellen. Der Motor wird als blockiert betrachtet, wenn die so gemessene induzierte Spannung größer als eine Schwelle ist.
Die gemäß dem Stand der Technik auf diese Weise vorgeschlagenen Mittel sind nicht vollständig zufriedenstellend.
Aufgabe der Erfindung ist es, neue Mittel vorzuschlagen, die eine präzise Überwachung der Position eines Schrittmotors erlauben.
Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem Steuerverfahren für einen Schrittmotor gelöst, welches die Verfahrensschritte aufweist, die darin bestehen:
- den Motor so zu steuern, daß der Rotor oder ein mit dem Rotor verbundenes Element gegen einen mechanischen Anschlag bekannter Lage versetzt wird,
- ein elektrisches Signal, welches in einer nicht gespeisten Wicklung des Motors induziert wird, nachzuweisen,
- das Fehlen eines induzierten Signals in der nicht gespeisten Wicklung als Ausdruck dafür, daß der mechanische Anschlag erreicht ist, zu interpretieren,
dadurch gekennzeichnet, daß
- der Schritt der Steuerung des Motors so, daß der Rotor oder ein mit dem Rotor verbundenes Element gegen einen mechanischen Anschlag bekannter Lage versetzt wird, darin besteht, an die Wicklungen des Motors Folgen von Steuersignalen anzulegen, welche wenigstens ein Zeitintervall aufweisen, während welchem die Steuersignale null sind, wobei die an den Motor außerhalb dieses Intervalls angelegten Steuersignale so eingerichtet sind, daß der Motor dieses Zeitintervall trotz des Fehlens von Steuersignalen in Bewegung überschreiten kann, wenn der mechanische Anschlag nicht erreicht ist, und
- der Nachweisschritt während des Intervalls, während welchem die Steuersignale null sind, durchgeführt wird.
Wie im folgenden noch erläutert wird, erlaubt die vorliegende Erfindung die Feststellung allein der gegenelektromotorischen Kraft, die durch die Drehung des Magneten des Rotors erzeugt wird, wobei man sich zuverlässig und ohne komplexe Signalverarbeitungsschaltung von Signalen freimacht, die in einer nicht gespeisten Wicklung durch induktive Kopplung mit einer gespeisten Wicklung induziert wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Steuerung des Schrittmotors, welche aufweist:
- Mittel, eingerichtet für eine Steuerung des Motors so, daß der Rotor oder ein mit dem Rotor verbundenes Element gegen einen mechanischen Anschlag bekannter Lage versetzt wird,
- Mittel, eingerichtet für einen Nachweis eines elektrischen Signals, welches in einer nicht gespeisten Wicklung des Motors induziert wird, und
- Mittel, eingerichtet für ein Interpretieren des Fehlens eines in der nicht gespeisten Wicklung induzierten Signals als Ausdruck dafür, daß der mechanische Anschlag erreicht ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Nachweismittel einen Nebenschlußwiderstand, der in Reihe mit der nicht gespeisten Wicklung des Motors liegt, zur Ermöglichung einer Messung des in dieser Wicklung induzierten Stroms aufweisen, und daß die Nachweisschaltung eine Integrierstufe aufweist.
Wie im folgenden noch erläutert wird, erlaubt gemäß der vorliegenden Erfindung der Nachweis des in der Wicklung induzierten Stroms und nicht, wie im Stand der Technik vorgeschlagen, der an den Klemmen der Wicklung induzierten Spannung eine Vereinfachung der Schaltung und die Gewinnung einer ausgezeichneten Nachweisempfindlichkeit.
Weitere Merkmale, Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden sich aus der Lektüre der folgenden detaillierten Beschreibung und unter Betrachtung der beigefügten Zeichnungen ergeben, die allein als nicht einschränkendes Beispiel gegeben sind und auf welchen
- Fig. 1 eine schematische allgemeine Ansicht einer Steuerschaltung gemäß der Erfindung darstellt,
- Fig. 2 eine Nachweisschaltung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt,
- Fig. 3 schematisch an die Wicklungen des Motors gelegte Steuersignale und Intervallsignale zur Messung der elektromotorischen Kraft veranschaulicht,
- Fig. 4 im Rahmen einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung die Meßzeiten darstellt, und
- Fig. 5 und 6 Signale darstellen, die am Motor gemessen werden, bevor bzw. nachdem dieser den mechanischen Anschlag erreicht.
Es wird nun zunächst der allgemeine Aufbau der Steurschaltung 10 eines in Fig. 1 dargestellten Schrittmotors beschrieben.
In dieser Fig. 1 sind die beiden Wicklungen des Motors mit den Bezugszeichen B1 und B2 dargestellt.
Die Steuerschaltung 10 umfaßt im wesentlichen eine Zentraleinheit 20, eine Ausgangsschaltung 30, eine Speichertabelle 40 und eine Nachweisschaltung 100.
Die Speichertabelle 40 ist so eingerichtet, daß sie vorzugsweise numerische Daten enthält, die die trigonometrischen Werte der zu durchlaufenden Winkel darstellen. Die Tabelle 40 kann beispielsweise die Werte an 128 Punkten einer Sinus- Funktion von 0º bis 90º enthalten.
Die Einheit 20 empfängt an ihrem Eingang 22 ein den vom Rotor des Motors zu erreichenden Winkel darstellendes Eingangssignal, beispielsweise den Winkel darstellend, der mit Hilfe einer Nadel sichtbar zu machen ist, die mit der Ausgangswelle dieses Rotors verbunden ist.
Die Einheit 20 wandelt dieses Signal durch Verarbeitung auf dem Fachmann bekannte Weisen in einen Wert um, der den zu erreichenden Winkel darstellt.
Die Amplitude der Sinus- und Kosinus-Signale wird, bevor diese auf die beiden Klemmen B1 und B2 zur Erzielung des gesuchten Ausschlagwinkels gegeben werden, durch das Lesen der Tabelle 40 bestimmt.
Hierzu werden die Sinus-Werte in der Tabelle 40 mit normalem Lesen, d. h., indem das Lesen der Tabelle am Anfang derselben begonnen wird, gelesen, und die Kosinus-Werte werden in der gleichen Tabelle 40 in umgekehrter Richtung, d. h., indem das Lesen dieser Tabelle 40 vom Ende her begonnen wird, gelesen.
Ferner werden die positiven und negativen Werte der Steuersignale des Schrittmotors unter Umkehr der Stromrichtung in den Wicklungen B1 und B2 gewonnen.
Hierzu wird, wie in Fig. 1 zu sehen, vorzugsweise jedes Ende der Wicklungen B1 und B2 in an sich bekannter Weise über eine Brücke aus zwei gesteuerten Schaltern T30 bis T37 gespeist, die abwechselnd, je nach gesuchter Stromrichtung leitend gemacht werden und jeweils mit einer positiven Speisespannung +VCC und mit Masse verbunden sind. Solche gesteuerten Schalter sind vorzugsweise durch MOS-Transistoren vom N-Typ, bzw. P-Typ gebildet.
Ferner werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Schalter T30 bis T37 durch PWM-Signale gespeist, die von der Ausgangstufe 30 erzeugt werden, d. h. durch Signale mit konstanter Amplitude und variablen zyklischen Verhältniswerten gespeist.
Wie vorstehend angegeben, weist das mit dem Motor versehene System einen mechanischen Anschlag bekannter Lage für den Rotor auf. Der Anschlag kann in dem Motor selbst vorgesehen sein. Der Anschlag kann jedoch auch außerhalb des Motors so angeordnet werden, daß er mit einem Hebel zusammenwirkt, der mit der Ausgangswelle des Motors verbunden ist, beispielsweise mit einer mit dieser Ausgangswelle verbundenen Nadel zusammenwirkt.
Gemäß einem Merkmal der Erfindung sind die Steuermittel 20 so eingerichtet, daß sie auf die Wicklungen B1 und B2 des Motors Steuersignalfolgen geben, die wenigstens ein Zeitintervall aufweisen, während welchem die Steuersignale null sind. Diese auf die Wicklungen B1 und B2 gegebenen Steuersignale sind so konzipiert, daß sie es dem Motor ermöglichen, dieses Zeitintervall trotz des Fehlens von Steuersignalen in Bewegung zu überschreiten, wenn der mechanische Anschlag nicht erreicht ist.
Für einen Motor mit N Paaren von Polen müssen die Steuermittel 20 N magnetische Zyklen auf die Wicklungen B1 und B2 geben, damit der Rotor einen vollständigen mechanischen Umlauf von 360º durchlaufen kann.
Als nicht einschränkendes Beispiel sind die auf die Wicklungen B1 und B2 gegebenen Steuersignale Sinus- und Kosinus- Funktionen des gesuchten Ausschlagwinkels, und das Zeitintervall der Steuersignale, während welchem letztere null sind, entspricht wenigstens einem Abschnitt eines Quadranten, der 90º bis 180º in jedem magnetischen Steuerzyklus in Bezug auf den Steuerzeitpunkt phasenverschoben ist, der mit der Stellung zusammenfällt, die der Rotor einnimmt, wenn der mechanische Anschlag erreicht ist.
Vorzugsweise fällt beispielsweise der mechanische Anschlag mit dem trigonometrischen Ursprung der Sinus- und Kosinus- Steuerfunktionen zusammen, und das Zeitintervall, während welchem die Steuersignale null sind, entspricht wenigstens einem Abschnitt des zweiten Quadranten dieser Funktionen.
Ferner stellt die Nachweisschaltung 100 den Strom fest, der in der einen der Wicklungen B1 induziert wird, wenn diese Wicklung nicht gespeist wird. Gemäß der Erfindung erfolgt diese Feststellung des induzierten Stroms durch Messen der Spannung an den Klemmen eines Nebenschlußwiderstands 110, der mit der Wicklung B1 in Reihe geschaltet ist. Aus Gleichgewichtsgründen ist vorzugsweise ein identischer Nebenschlußwiderstand (112) in Reihe mit der zweiten Wicklung B2 angeschlossen.
Die Nachweisschaltung 100 interpretiert das Fehlen eines in der nicht gespeisten Wicklung B1 induzierten Signals (oder eine Nullspannung an den Klemmen des Nebenschlußwiderstands 110) als Ausdruck dafür, das der mechanische Anschlag erreicht ist.
Der Nachweis des induzierten Stroms mit Hilfe des Nebenschlußwiderstands 110 und nicht an den Klemmen der Wicklung B1 erlaubt die Gewinnung einer großen Nachweisempfindlichkeit.
Ferner gestattet der Nachweis des Stroms, der in der Wicklung B1 in dem Zeitpunkt, wo keine der Wicklungen B1 und B2 gespeist wird, induziert wird, nur die in der Wicklung B1 durch das Drehen des Magneten des Rotors erzeugte gegenelektromotorische Kraft nachzuweisen und sich damit zuverlässig vom Einfluß einer induktiven Kopplung zwischen den verschiedenen Wicklungen freizumachen.
In dieser Fig. 2 ist schematisch unter dem Bezugszeichen 1 der induktive Teil der Wicklung B1 und unter dem Bezugszeichen R1 der resistive Teil dieser Wicklung B1 gezeigt. Ferner findet man den resistiven Nebenschluß 110 mit der Wicklung B1 in Reihe geschaltet. Während der Nachweiszeit werden die beiden Enden des Zweiges, der in Reihe die Wicklung B1 und den Nebenschlußwiderstand 110 enthält, als mit Masse verbunden betrachtet, da die beiden Schalter T31 und T33 leitend gemacht sind.
Die Nachweisschaltung 100 weist zwei Eingangsstufen 120, 130, eine Differentialstufe 140, eine Integratorstufe 150 und eine Ausgangstufe 160 auf.
Die Eingangsstufe 120 ist eine Transistorstufe mit gemeinsamer Basis. Sie umfaßt einen Transistor T121, dessen Emitter mit dem gemeinsamen Punkt von Nebenschlußwiderstand 110 und Wicklung B1 über einen Verbindungswiderstand R122 verbunden ist. Der gleiche Emitter ist mit Masse über einen Kondensator C123 verbunden, der als Filter zum Koppeln der PWM-Reste und anderer rascher Störungen dient.
Der Kollektor des Transistors T121 ist mit der Versorgungsklemme +VCC über einen Widerstand R124 verbunden, und seine Basis ist mit dem Mittelpunkt einer Widerstandsteilerbrücke R125, R126 verbunden, die zwischen der Klemme +VCC und Masse angeschlossen ist.
Diese Eingangsstufe 120 erlaubt eine Verstärkung des an den Klemmen des Nebenschlußwiderstands 110 nachgewiesenen Signals und eine Verlagerung dieses Signals in bezug auf Masse. Ihre geringe Eingangsimpedanz macht die Schaltung wenig empfindlich auf Störungen. Die Eingangsstufe 120 ermöglicht es so, sich von einer negativen Einspeisung freizumachen, da die gemessenen Ströme keine Gleichspannungskomponente haben.
Die zweite Eingangsstufe 130 umfaßt einen Transistor T131, dessen Basis mit der Basis des Transistors T121 verbunden ist, dessen Emitter mit Masse über einen Widerstand R132 und dessen Kollektor mit der Klemme +VCC über einen Widerstand R133 verbunden ist. Diese Stufe 130 liefert am Kollektor von T131 eine Spannung, die die gleichen Driften in Abhängigkeit von der Speisespannung und der Temperatur hat, wie die erste Stufe 120.
Die Differentialstufe 140 umfaßt einen Operationsverstärker OP141, der so ausgelegt ist, daß er einerseits die Summation zwischen dem am Kollektor des Transistors T131 nachgewiesenen Signals und der Spannung einer geregelten Versorgungszelle 142 und andererseits eine Differenz zwischen dem Resultat dieser Summation und dem am Kollektor des Transistor T121 abgenommenen Signals berechnet. Die Stufe 140 unterdrückt die instabile Gleichspannungskomponente und ersetzt durch einen festen Wert.
Hierzu ist der nicht-invertierende Eingang von OP141 über jeweilige Widerstände R143, R144 mit der Zelle 142 und mit dem Kollektor von T131 verbunden. Der invertierende Eingang von OP141 ist mit dem Kollektor von T121 über einen Widerstand R145 verbunden. Der Ausgang von OP141 ist über einen Widerstand R146 auf seinen invertierenden Eingang zurückgeführt.
Der Ausgang von OP141 ist mit dem Eingang der Integratorstufe 150 über einen Koppelwiderstand R147 verbunden.
Die Differentialstufe 140 erlaubt eine Unterdrückung von schädlichen Einflüssen, insbesondere was die Verstärkung anbelangt, von Driften der Eingangsstufen 120, 130 in Abhängigkeit von Verläufen der Speisespannung +VCC und der Temperatur.
Zweck der Integratorstufe 150 ist es, die Signalamplitude unabhängig von der Winkelgeschwindigkeit der Drehung des Rotors zu machen. Sie ist um einen Operationsverstärker OP151 herum gefügt. Der invertierende Eingang desselben ist mit dem Koppelwiderstand R147 verbunden. Der Ausgang des Verstärkers OP151 ist über eine Kapazität C152 auf einen seinen invertierenden Eingang zurückgeführt.
Diese Kapazität C152 wird auf Befehl durch das Schließen eines Schalter I153 entladen, der parallel zum Kondensator C152 über einen Widerstand R154 angeschlossen ist. Der Schalter I153 wird durch einen Steuermodul 155, der von der Einheit 20 kontrolliert wird, geführt.
Der nicht-invertierende Eingang OP151 ist mit einer Referenzzelle 142 verbunden.
Vorzugsweise zwingt der Modul 155 das Schließen des Schalters I153 auf zwei Quadranten jedes Magnetzykluses nach dem Quadranten auf, der dem Zeitintervall entspricht, in welchem keine der beiden Wicklungen B1 und B2 gespeist wird.
Die Ausgangsstufe 160 weist eine um einen Operationsverstärker UP161 herum gefügte Verstärkerstufe auf. Der nichtinvertierende Eingang von OP161 ist mit dem Ausgang von OP151 über einen Widerstand 162 und mit Masse über einen Widerstand R163 verbunden.
Der invertierende Eingang von OP161 ist mit der Referenzzelle 142 über einen Widerstand R164 verbunden.
Schließlich ist der Ausgang von OP161 auf seinen invertierenden Eingang über einen Aufbau verbunden, der parallel einen Widerstand R165 und einen Kondensator C166 aufweist.
Die Ausgangsstufe definiert eine Pegelversetzung, die gleich der Amplitude der Referenzzelle 142 ist, entgegengerichtet zu der durch die Differentialstufe 140 aufgezwungenen Versetzung.
Die Ausgangsstufe 160 kann gegebenenfalls weggelassen werden. In diesem Fall wird das am Ausgang der Stufe 150 verfügbare Signal ausgenutzt, welches sich beiderseits eines gegenüber Masse versetzten mittleren Niveaus gemäß dem Drehsinn des Rotors entgegengesetzt zum Ausgangssignal der Stufe 160 entwickelt.
In Fig. 3 sind vier Quadranten eines magnetischen Zykluses dargestellt:
- das mit sin bezeichnete Sinus-Signal, das auf die Spule B1 gegeben wird (dieses Signal sin ist auf den Quadranten 0 und 1 unterbrochen),
- das mit cos bezeichnete Kosinus-Signal, das auf die Spule B2 gegeben wird (dieses Signal cos ist auf dem Quadranten 1 unterbrochen),
- die mit Fcem bezeichnete gegenelektromotorische Kraft, die in der Spule B1 während der Quadranten 0 und 1 festgestellt wird und einem in Bezug auf den gesteuerten Winkel verzögerten Kosinus entspricht, und
- das Ergebnis der Integration dieser gegenelektromotorischen Kraft während der Quadranten 0 und 1 in der Stufe 150, welches einem verzögerten Sinus entspricht.
In Fig. 3 ist die Zeitskala in rückläufigem Sinne, d. h. im Sinne einer Mitnahme gegen den mechanischen Anschlag, orientiert.
Für eine Mitnahme im direkten Sinne ist die Reihenfolge der Quadranten 0, 1, 2, 3 umgekehrt, und die Sinus- und Kosinus-Steuersignale werden gemäß den herkömmlichen trigonometrischen Funktionen ohne Abschwächung in irgendeinem Quadranten erzeugt.
Für den Fachmann ist ohne weiteres einsichtig, daß das am Ausgang von OP161 verfügbare Signal direkt repräsentativ für den Strom ist, der durch die von der Drehung des Motors herrührende gegenelektromotorische Kraft in der Wicklung des Motors während des Zeitintervalls der Nicht-Speisung der Spulen B1 und B2 induziert wird.
Das während dieses Zeitintervalls am Ausgang von OP161 verfügbare Signal ist also 0, wenn der mechanische Anschlag erreicht ist. In diesem Fall kann sich der mit dem Rotor verbundene Magnet in Bezug auf die Wicklung B1 nicht versetzen. Umgekehrt zeigt das während des gleichen Zeitintervalls am Ausgang von OP161 verfügbare Signal eine kennzeichnende Amplitude, wenn der mechanische Anschlag nicht erreicht ist.
In den Fig. 5 und 6 wird dargestellt:
- in den Zeilen a die Sinus-Signale in PWM, aufgegeben auf die Spule B1 (mit Wiederholmuster der Messung)
- in den Zeilen b die Signale, die den induzierten Strom darstellen, gemessen im Nebenschlußwiderstand 110 und folglich in der Wicklung B1 nach Spitzenbegrenzung, die von einer Verstärkung in einer Verstärkerstufe herrührt,
- in den Zeilen c die Signale, die am Ausgang der Integratorstufe 150 gewonnen werden, und
- in den Zeilen d die Signale, die den Strom in den Nebenflußwiderstand 110 darstellen.
Man sieht in der Figur c) der Fig. 5 klar das Abbild der gegenelektromotorischen Kraft, die im Motor induziert wird, wenn sich dieser dreht; dann, daß die Zeile c) der Fig. 6, der Fall, wo der Motor am mechanischen Anschlag steht, keine solche Gegen-EMK offenbart.
Natürlich beschränkt sich die Erfindung nicht auf die gerade beschriebene besondere Ausführungsform, sondern erstreckt sich auf alle Abwandlungen entsprechend ihrem Wesen.
Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform, wie sie in Fig. 4 schematisch dargestellt ist, fallen die Zeitintervalle T, während welchen die Steuersignale null sind und man die Messung des in der Spule B1 induzierten Stromes bewirkt, mit von den Mitteln 20 in jedem Steuersignalzyklus auferlegten Sampling-Zeitpunkten, beispielsweise ein oder zwei Sampling- Zeitpunkte in jeder Halbperiode der Sinus- und Kosinus- Steuersignale, gleichverteilt in diesem Zyklus, zusammen.
Diese für die Messung verwendeten Zeitintervalle T können beispielsweise eine Zeitdauer haben, die von 1/8 bis 1/20 der Zeitdauer eines magnetischen Zykluses geht.
Zur Annullierung der auf die Wicklungen B1 und B2 gegebenen Steuersignale macht die Zentraleinheit 20 zwei Transistoren T31 und T33, T35 und T37 oder T30 und T32, T34 und T36 gleichzeitig leitend, um die beiden Enden der Zweige, die eine Wicklung B1 oder B2 und einen Nebenschlußwiderstand 110 oder 112 umfassen, auf das gleiche Potential zu legen (entweder auf Masse oder auf Potential +VCC).
Man wird bemerken, daß im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Mittel T30 bis T37, die die auf die Wicklungen B1 und B2 gegebenen Steuersignale kontrollieren, keinen Zustand "hohe Impedanz" einnehmen. Dies stellt einen erheblichen-Vorteil in Bezug auf die in den genannten Dokumenten EP-A-0382887 und EP- A-0403691 beschriebenen Signale dar. Die Transistoren T30 bis T37 lassen ein Ende der Spule B1 oder B2 niemals in der Luft oder auf einem nicht festen Potential. Sie kontrollieren stets einen Stromdurchgang und brauchen aufgrund dieser Tatsache keine großen Überspannungen aushalten.
Es stimmt, daß, wenn zwei Enden einer Spule B1 oder B2 auf Masse oder auf das Potential +VCC durch zwei ihrer zugeordneten Steuertransistoren gesetzt werden, der eine der beiden einen Strom im entgegengesetzten Sinne zu seinem Nennstrom erhält. Transistoren T30 bis T37 vom Typ MOS können jedoch ohne Schwierigkeiten diesen entgegengesetzten Ströme aufgrund von deren begrenzter Amplitude und Dauer standhalten.
Umgekehrt halten solche Transistoren einen Hochimpedanzzustand aufgrund der starken Spannungsspitze, die durch die Selbstinduktion der Spule induziert wird, schlecht aus.
Der Signalnachweis kann auf der einen oder anderen der beiden Wicklungen während des Zeitintervalls durchgeführt werden, während welchem die Steuersignale null sind. Man wählt jedoch vorzugsweise diejenige der Wicklungen, in welcher das induzierte Signal eine Maximalamplitude aufweist (wissend beispielsweise, daß die Gegen-EMK, die in der normalerweise in Sinus gespeisten Wicklung induziert wird, vom Typ Kosinus ist, und umgekehrt für die andere Wicklung).
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist wenigstens eine Sampling-Zeit während jeder Steuersignalhalbwelle vorgesehen.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung besteht der Nachweisschritt in einem Messen der an den Klemmen der nicht gespeisten Wicklung induzierten Spannung.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung weisen die Schaltermittel ein Paar von Transistoren T30 bis T37 an jedem Ende des die Wicklung B1 und den Nebenschlußwiderstand 110 enthaltenden Zweigs auf, wobei jedes Transistorpaar in Reihe zwischen Masse und einer Spannungsversorgungsklemme angebracht ist und der zentrale gemeinsame Punkt der Transistoren mit einem Ende dieses Zweiges verbunden ist.

Claims

1. Verfahren zur Steuerung eines Schrittmotors, welches die Verfahrensschritte aufweist, die darin bestehen:

- Steuern des Motor so, daß der Rotor oder ein mit dem Rotor verbundenes Element gegen einen mechanischen Anschlag bekannter Lage versetzt wird,

- Nachweisen eines elektrischen Signals, welches in einer nicht gespeisten Wicklung (B1) des Motors induziert wird, und

- Interpretieren des Fehlens eines induzierten Signals in der nicht gespeisten Wicklung (B1) als Ausdruck dafür, daß der mechanische Anschlag erreicht ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

- der Schritt der Steuerung des Motors so, daß der Rotor oder ein mit dem Rotor verbundenes Element gegen einen mechanischen Anschlag bekannter Lage versetzt wird, darin besteht, an die Wicklungen (B1, B2) des Motors Folgen von Steuersignalen anzulegen, welche wenigstens ein Zeitintervall aufweisen, während welchem die Steuersignale null sind, wobei die an den Motor außerhalb dieses Intervalls angelegten Steuersignale so eingerichtet sind, daß der Motor dieses Zeitintervall trotz des Fehlens von Steuersignalen in Bewegung überschreiten kann, wenn der mechanische Anschlag nicht erreicht ist, und

- der Nachweisschritt während des Intervalls, während welchem die Steuersignale null sind, durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem magnetischen Zyklus der Steuersignale das Zeitintervall, in welchem die Steuersignale null sind, wenigstens einem Abschnitt eines Quadranten entspricht, der 90 bis 180º in Bezug auf den Steuerzeitpunkt phasenverschoben ist, der mit der Stellung zusammenfällt, die der Rotor einnimmt, wenn der mechanische Anschlag erreicht ist.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der mechanische Anschlag mit dem trigonometrischen Ursprung der Steuersignale zusammenfällt und das Zeitintervall, in welchem die Steuersignale null sind, wenigstens einem Abschnitt eines zweiten Quadranten eines magnetischen Zyklus entspricht.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitintervall, in welchem die Steuersignale null sind, bestimmten Sampling-Zeitpunkten entspricht.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Sampling-Zeit während jeder Halbperiode der Steuersignale vorgesehen ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schrittmotor zwei Wicklungen (B1, B2) aufweist, die mit Sinus- und Kosinusfunktionen des gesuchten Ausschlagwinkels gespeist werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Nachweisschritt in einer Messung des Stroms, der durch die gegenelektromotorische Kraft in der nicht gespeisten Wicklung (B1) induziert wird, durch Messung der Spannung an den Klemmen eines Nebenschlußwiderstands (110), der mit dieser Wicklung (B1) in Reihe liegt, besteht.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Nachweisschritt in einer Messung der Spannung besteht, die an den Klemmen der nicht gespeisten Wicklung (B1) induziert wird.

9. Vorrichtung zur Steuerung eines Schrittmotors, welche aufweist:

- Mittel (20), eingerichtet für eine Steuerung des Motors so, daß der Rotor oder ein mit dem Rotor verbundenes Element gegen einen mechanischen Anschlag bekannter Lage versetzt wird,

- Mittel (100, 110), eingerichtet für einen Nachweis eines elektrischen Signals, welches in einer nicht gespeisten Wicklung (B1) des Motors induziert wird, und

- Mittel (20, 100), eingerichtet für ein Interpretieren des Fehlens eines in der nicht gespeisten Wicklung induzierten Signals als Ausdruck dafür, daß der mechanische Anschlag erreicht ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Nachweismittel einen Nebenschlußwiderstand (110), der in Reihe mit der nicht gespeisten Wicklung (B1) des Motors liegt, zur Ermöglichung einer Messung des in dieser Wicklung induzierten Stroms aufweisen, und daß die Nachweisschaltung eine Integratorstufe (150) aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachweisschaltung eine Differentialstufe (140) aufweist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel so eingerichtet sind, daß sie an die Wicklungen (B1, B2) des Motors Steuersignalfolgen anlegen, welche wenigstens ein Zeitintervall aufweisen, in welchem die Steuersignale null sind, wobei die an die Wicklungen (B1, B2) des Motors außerhalb dieses Zeitintervalls gelegten Steuersignale so eingerichtet sind, daß sie es dem Motor ermöglichen, dieses Zeitintervall trotz des Fehlens von Steuersignalen in Bewegung zu überschreiten, wenn der mechanische Anschlag nicht erreicht ist, und die Nachweismittel (100) so eingerichtet sind, daß sie den während dieses Zeitintervalls induzierten Strom nachweisen.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie Schaltermittel (T30 bis T37) aufweist, die für ein Verbinden der beiden Enden des die Wicklung (B1) und den Nebenschlußwiderstand (110) aufweisenden Zweigs während spezifischer Zeitintervalle mit einem gemeinsamen Potential eingerichtet sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltermittel (T30 bis T37) durch Transistoren, vorzugsweise MOS-Transistoren, gebildet sind.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltermittel ein Paar von Transistoren (T30 bis T37) an jedem Ende des die Wicklung (B1) und den Nebenschlußwiderstand (110) enthaltenden Zweigs aufweisen, wobei jedes Transistorpaar in Reihe zwischen Masse und einer Versorgungsklemme angebracht ist und der den beiden Transistoren gemeinsame zentrale Punkt mit einem Ende des Zweigs verbunden ist.