STEP MOTOR MONITORING DEVICE

Abstract: 1. Circuit arrangement for monitoring a stepping motor (1), with a control generator (5) for generating the control pulses for the stepping motor, with a power stage (4), downstream of the control generator, for feeding the stepping motor, with a check-back indicator (3), mechanically coupled to the stepping motor and set up for the emission of an actual signal (si ), with a comparator (6) for comparison of the number of prescribed steps, from the set signal (ss ) of the control generator (5), with the number of steps carried out, from the actual signal (si ) of the check-back indicator (3), and for the emission of an error signal (sf , sf' ) if its two input signals do not coincide, and with a current setting stage (8), to the input of which the error signal of the comparator can be fed and the output signal (sa ) of which, determining the magnitude of the stepping motor current (s1 ) can be fed to the power stage, characterized in that a timing element (7) is connected between the output of the comparator (6) and the input of the power stage (4), which timing element makes possible an essentially undelayed increase in the output signal (sa ) from a first prescribable current value to a second current value, lying above the first current value, and a delayed decrease in the output signal to the first current value.

Description: Schaltungsanordnung zur Uberwachung eines Sciirittmotors Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Überwachung eines Schrittmotors, mit einem Steuergenerator zur Erzeugung der Steuerimpulse für den Schrittmotor, mit einer dem Steuergenerator nachgeschalteten Leistungsstufe zur Speisung des Schrittmotors, mit einem mit dem Schrittmotor mechanisch gekoppelten Rückmelder, der zur Abgabe eines Ist-Signales eingerichtet ist, mit einem Komparator, dessen einem Eingang das Ist-Signal des Rückmelders und dessen anderem Eingang das Soll-Signal des Steuergenerators zuführbar sind und der zur Abgabe eines Fehlersignales bei Niciitübereinstimmung seiner beiden Eingangssignale eingerichtet ist und mit einer Stromeinstellstufe, deren Eingang das Fehlersignal des Komparators =u- führbar ist und deren die Grösse des Schrittmotorstromes bestimmendes Ausgangssignal der Leistugsstuf zuführbar ist. Schrittmotoren eisen den Vorteil auf, dass sich ihre Abtriebswelle in Abhällgigkeit von den zugeführten Steuerimpulsen um einen genau definierten Winkel verdreht. Man versucht daher Schrittmotoren unter anderem auch zur Stetlerun(i er Regelstange von Einspritzpumpen oder von Pumpedüsen bei Kraftfahrzellgen heranzuziehen. Hierbei tritt jedoch die Problematik auf, dass der Kraftbedarf zur Verstellung de Regelstange unter normalen Betriebsbedingungen meist verhältnismässig gering ist, jedoch bei tiefen Temperaturen (z.B. Kaltstart im Winter) zufolge der angestiegenen Viskosität des Schmieröls beträchtlich oberhalb des durchschnittlichen Kraftbedarfes liegen kann. Es hat sich weiters gezeigt, dass auch während des normalen Betriebes die zur Verstellung der Regelstange erforderliche Kraft kurzfristig stark ansteigen kann, da aus nicht völlig geklärten Gründen plötzlich eine erhöhte Reibung auftritt. Werden Schrittmotoren zu stark belastet, so gehen Schritte verloren, d.h. der Motor führt eine geringere Anzahl von Schritten aus als vorgegeben oder er bleibt ganz stehen. Dieser Fall kann auch beim Antrieb einer Regelstange eintreten, wenn der Kraftbedarf zu ihrer Verschiebung aus den oben genannten Gründen zu hoch wird. Es versteht sich, dass ein Blockieren des Schrittmotors oder der Verlust von Schritten im Falle der Regelung z.B. eines Dieselmotors untragbar uno daher unter allen Umständen zu vermeiden ist. Eine Möglichkeit zur Abhilfe besteht darin, den Schrittmotor sowie dessen Leistungsendstufe so zu dimensionieren} dass die Funktion unter allen Lastbedingungen sichergestellt ist. Dies bedeutet jedoch einen sehr grossen Kosttnaufwand für nur selten eintretende Betriebsbedingungen. Überdies steigt bei einer solchen Uberdimensionierung auc der Raumbedarf für den Schrittmotor und seine Endstufe was bei den gedrängten Raumverhältnissen in einem Kraftfahr- zeug sehr nachteilig ist. Ein ständig fliessender hoher Motorstrom hätte ferner eine unerwünschte Temperaturerhöhung der Ansteuerelektronik und des Schrittmotors selbst zur Folge; er würde einerseits wegen der benötigten Kühlfläche ein grösseres Gehäuse für die Elektronik bedingen und andererseits die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Bauteile entscheidend verschlechtern, da diese bereits Umgebungstemperaturen bis 1250 C ausgesetzt sind und der Temperatureinfluss exponentiell steigt. Es ist altch eine Schaltungsanordnung für die Regelung von Schrittmotoren bekannt geworden (DE-OS 30 55 919) bei welcher die Schritt frequenz der jeweiligen Belastung angepasst wird. Ifiebei oszilliert die Schrittfrequenz ständig zwischen der Start/Stop-Frequenz und der von der Belastung abhängigen, maximal möglichen Ire(luen. Nachteilig ist bei dieser bekannten Schaltungsanordnung, dass keine Korrektur der Schrittposition vorgesehen ist, sodass sich im Betrieb Schrittverluste kumulieren. Ausserdem erfolgt die Anpassung an Belastungen nicht in optimaler Zeit. Aus der DD-PS 116 996 geht eine Schaltungsanordnung der eingangs angegebenen Art hervor, mit deren hilfe die Drehzahl eines Schrittmotors auc bei wechselnden Lastbed ingungelt konstant gehalten werden soll. Hiebei erfolgt die Regelung inncrhalb jedes einzelnen Motorschrittes bzw. Schritt impulses, wobei in einer Koinzidenzeinheit jeder Takt impuls mit dem Ausgang eines Rückmelders verglichen wird. Falls der Rückmelder nicht gleichzeitig mit dem Steuerimpuls einen Rückmelderimpuls liefert, wird der Strom des Schrittmotors erhöht. Nachteilig ist hiebei, dass der Schritt verloren geht, wenn die Regelung nicht innerhalb des Schrittes erfolgen kann und dass ein derartiger Schrittverlust überhaupt nicht erkannt wird. Eine Vorrichtung zur schlupffreien Nachlaufsteuerung von Schritmotoren geht aus der DE-OS 23 45 410 hervor, bei der Impulsfofgen eines Sollwertgebers und eines Stellunggebers in einem Zähler miteinander verglichen werden. Der erhaltene Differen7wert wird zur Erzeugung einer Impulsfolge lleran- gezogen, fieber die der Schrittmotor nachgestellt wird. Auch diese Lösung erfordert eine Dimensionierung des Schrittmotors, die der maximal benötigten Spitzenleistung angepasst ist. Bei einer bekannten, für IJhrenmotoren vorgesehenen Schaltung (US-PS 4,346.463) wird der Stromverlauf des Schrittmotors untersucht, der für allfällige Abweichungen von der Sollposition repräsentativ ist. Falls Abweichungen festgestellt werden, wird dem Motor eine zweite Impulsfolge mit längeren Impulsen zugeführt. Uber die Absolutposition des Schrittmotors erhält man Jedoch keine Information. Dimensionierungsprobleme hinsichtlich der maximalen Verlustleistung stellen sich bei den in Frage kommenden minimalen Leistungen nicht. Der aus der DE-OS 26 34 887 bekannt gewordene Lageregelkreis dient zur Überwachung des mittels eines Schrittmotors betatigbarem Kraftstoffschiebers bei Geschossen mit luftatmenden Triebwerken. Aus Kostengründen wird als analoger Rückmelder ein Potentiometer verwendet und über einen Analog/Digitalwandler eine Impulsfolge gewonnen, die mit einer vorgegebenen Impulsfolge verglichen wird. Bei Abweichungen werden über eine UND-Schaltung weitere Impulse an den Schrittmotor gelegt. An eine Motorstromerhöhung ist hiebei nicht gedacht. Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Schaltungs- anordnung, welche eine flexible Anpassung an selten vorkommende Überlastbedingungen des Motors ermöglicht, ohne dass jedoch eine Überdimensionierung des Motors oder seiner Endstufe erforderlich wäre. Dieses Ziel lässt sich mit einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art erreichen, bei welcher erfindungsgemäss der Komparator zum Vergleich der Anzahl der vorgegebenen Schritte aus dem Soll-Signal des Steuergenerators mit der Anzahl der durchgeführten Schritte aus dem Ist-Signal des Rückmelders eingerichtet ist, wobei das Ausgangssignal der Stromeinstellstufe von einem ersten vorgebbaren Stromwert auf einen zweiten, oberhalb des ersten Stromwertes liegenden Wert anhebbar ist. Es ist zweckmässig, wenn zwischen den Ausgang des Komparators und den Eingang der Leistungsstufe ein Zeitglied geschaltet ist, welches einen im wesentlichen unverzögerten Anstieg des Ausgangssignales auf den zweiten Stromwert und ein verzögertes Abfallen des Ausgangssignales auf den ersten Stromwert ermöglicht. Auf diese Weise kann der Motorstrom nach Beendigung irregulärer Lastbedingungen wieder auf jenen Wert abgesenkt werden, der unter durchschnittlichen Betriebsbedingungen zum Antrieb des Motors erforderlich ist. In der Praxis werden bei elektronischen Reglern für Brennk ra- ftmascbinen Mikrocomputer eingesetzt und in diesem Fall empfiehlt es sich, wenn der Komparator als Mikrocomputer bzw. Teil eines Mikrocomputers ausgebildet ist. Die H.rfindllng samt ilnZen weiteren Vorteilen und Nerkmalen ist im folgenden an Hand eines beispielsweisen Bloct - schaltbildes näher erläutert. Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung ist in erster Linie zur Stetlerung und Überwachung eines Schrittmotors gedacht der -ur Verstellung der Regelstange von Isiiisprit pumpen oder von Pumpedüsen bei Dieselmotoren dient. Wie nämlich bereits eingangs erwähnt, treten beim Einsatz in Kraftfahrzeugen aus diversen Gründen stark wechselnde Lastbedingungen für den Schrittmotor auf. Selbstverständlich kann die Erfindung auch auf anderen Gebieten der Stcuerung und Regelung Anwendung finden, wenn ähnliche Probleme hinsichtlich der Motorbelastung bestehen und Schrittverlust vermieden werden muss. Das Blockschaltbild zeigt einen Schrittmotor 1, der z.B. als Unipolar-Schrittmotor ausgeführt ist. An der Welle 2 des Schrittmotors 1 sitzt ein Rückmelder 3, der entsprechend der Anzahl der durchgeführten Schritte ein Signal si abgibt. Die Wicklungen des Schrittmotors 1 werden mittels eines Signales S1 von einer Leistungsstufe 4 gespeist, die z.B. Leistungsschalttransistoren enthält. Eine derartige Endstufe und zum Teil auch die Ansteuerung sind in der Patentanmeldung A 938/84, Patent , beschrieben. Die Leistungsstufe wird ihrerseits von einem Steuergenerator 5 angesteuert, der im allgemeinen einen komplexen elektronischen Aufbau besitzt. Bei Anwendung im Zusammenhang mit der Regelung von Dieselmotoren weist dieser Steuergenerator ein oder mehrere Mikrocomputer auf,-die je nach eben vorliegenden Messwerten, wie Motordrehzahl, Gaspedalstellung, Luftdruck etc. und im Vergleich mit gespeicherten, motor und/oder fahrzeugspezifischen Parametern Ausgangsimpulse 5b an die Leistungsstufe 4 abgeben. Hiebei wird auch die Schrittfrequenz den jeweiligen Erfordernissen angepasst. Erfindungsgemäss wird nun verglichen, ob die Anzahl der Schritte, die entsprechend dem Signal sb durchzuführen sind, mit der Anzahl der tatsächlich durchgeführten, von dem Rückmelder 3 angezeigten Schritte übereinstimmt. Ist ein Stromverlust festzustellen, so wird vorübergehend der Strom in den Motor- wicklungen erhöht, wodurch etwa vorliegende Re ibungshinder- nisse etc. überwunden werden können. ziel11 ist ein Komparator vorgesehen, dem einerseits das Ausgangssig1ial si des Rückmelders 3 als Ist-Signal und andererseits ein Sollsignal ss des Steuergenerators 5 zugeführt sind. Dieses Soll-Signal ss entspricht zumindest im wesentlichen dem der Leistungsstufe 4 zugeführten Ausgangssignal sb des Steuergenerators 5. Der Komparator 6 der z.B. geeignete Zähler enthält, liefert an seinem Ausgang ein Fehlersignal sf, falls innerhalb eines bestimmten Zeitabschnittes die Anzahl der durchgeführten Schritte des Schrittmotors 1 geringer ist als die Anzahl der durch den Steuergenerator 5 vorgegebenen Schritte. Meistens wird es am einfachsten und zweckmässigsten sein, den Komparator 6 als Teil eines ohnedies zur Verfügung stehenden, mit entsprechender Software ausgestatteten Mikro- computers auszubilden. Das Fehlersignal sf wird über ein Zeitglied 7, dessen Funktion untenstehend noch näher erläutert wird, einer Strom einstellstufe 8 zugeführt, über deren Ausgangssignal 5a die Grösse des Motorstromes bestimmbar ist. Bei Vorliegen eines Fehlersignales sf bzw. sf' (am Ausgang des Zeitgliedes 7) wird über die Stromeinstellstufe 8 und die Leistungsstufe 3 der Motorstrom von einem ersten vorgebbaren Stromwert auf einen zweiten Stromwert angehoben, der deutlich oberhalb des ersten Wertes liegt. In der Praxis wird der erste Stromwert so gewählt, dass bei Betrieb mit diesem Strom der Schrittmotor auch bei hohen Umgebungstemperaturen immer unterhalb der Grenze seiner Dauerbelastbarkeit betrieben wird. Der zweite Stromwert hingegen liegt so hoch, dass dem Schrittmotor eine Leistung zugeführt wird, die oberhalb seiner Dauerbelastbarkeit liegt. Mit diesem Stromwert kann der Motor, speziell bei hohen Umgebungstemperaturei',nur kurze Zeit betrieben werden. Der Anstieg auf den höher gelegenen Stromwert soll rasch erfolgen, um so wenig wie möglich an Zeit und an Schritten zu verlieren. Der Begriff rasch ist natürlich im Zusammenhang mit den verschiedenen Zeitkonstanten der ierwendeten Schaltungs- und Regelanordnung zu verstehen. Der Anstieg muss nicht eben sprunghaft erfolgen, er wird in der Praxis oft nach einerTrep7)enfunktion oder rampenförmig erfolgen. Das Zeitglied 7 ermöglicht einen im wesentlichen unverzögerten Anstieg des Ausgangssignales 5a der Stromeinstellstufe 8, d.h. das Signal s ' tritt praktisch unverzögert mit dem Fehlersignal sf auf, wobei der erhöhte Stromwert zunächst auch nach Fortfall des Fehlersignales sf aufrecht erhalten wird. Nach einiger Zeit wird über das Zeitglied 7, das auch Teil der Stromeinstellstufe S sein kann, der Strom wieder abgesenkt und - soferne daraufhin nicht wieder der Verlust von Schritten gemeldet wird - auf dem niedrigen Wert beibehalten. Dank der Erfindung muss bei der Dimensionierung sowohl des Schrittmotors als auch der Leistungsstufe nicht auf den selten auftretenden maximalen Leistungsbedarf abgestellt werden, da bewusst eine kurzfristige Überlastung in Kauf genommen wird. Im Winterbetrieb von Kraftfahrzeugen kan der erhöhte Leistungsbedarf wegen der Viskositätserhöhung der Schmiermittel auch länger, z.B. zehn Minuten, dauern, doch wirkt in diesem Fall die vorerst niedrige Temperatur einer möglichen thermischen Überlastung des Schrittmotors und der Leistungsstufe entgegen. Es sei noch erwähnt, dass die Stromeinstellstufe O bzw. das Zeitglied 7 unter Verwendung eines Mikrocomputers auch so eingerichtet sein können, dass der nach Auftreten von Schrittverlusten erhöhte Motorstrom nach einiger Zeit langsam abgesenkt wird, bis wieder der Verlust von Schritten festgestellt wird und hierauf ein wenig oberhalb dieses Strompegels gehalten wird, sodass äusserst wirtschaftlich der gerade erforderliche Stromwert eingehalten wird. Dieser Wert kann auch abgespeichert werden, sodass bei erneuter kurzfristiger Stromerhöhung rasch wieder auf den "Optimalwert" übergegangen werden kann. Überhaupt sollen unter dem ersten und zweiten Stromwert keine absolut festen Werte verstanden werden. Diese Werte können insbesondere langfristig, z.B. entsprechend den herrschenden Temperaturverhältnissen, eine vorbestimmte Anderung erfahren.

Claims: Patentansprüche 1. Schaltungsanordnung zur Überwachung eines Schrittmotors, mit einem Steuergenerator zur Erzeugung der Steuerimpulse für den Schrittmotor, mit einer dem Steuergenerator nachgeschalteten Leistungsstufe zur Speisung des Schrittmotors, mit einem mit dem Schrittmotor mechanisch gekoppelten Rückmelder, der zur Abgabe eines Ist-Signales eingerichtet ist, mit einem Komparator, dessen einem Eingang das Ist Signal des Rückmelders und dessen anderem Eingang das Soll Signal des Steuergenerators zuführbar sind und der zur Abgabe eines Fehlersignales bei Nichtübereinstimmung seiner beiden Eingangssignale eingerichtet ist und mit einer Stromeinstellstufe, deren Eingang das Fehlersignal des Komparators zuführbar ist und deren die Grösse des Schrittmotorstromes bestimmendes Ausgangssignal der Leistungsstufe zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Komparator (6) ZUIII Vergleich der Anzahl der vorgegebenen Schritte aus dem Soll-Signal (5 ) des Steuergenerators (5) mit der Anzahl der durchgeführten Schritte aus dem Ist-Signal (ski) des Rückmelders (3) eingerichtet ist, wobei das Ausgangssignal (Sa) der Stromeinstellstufe (8) von einem ersten vorgebbaren Stromwert auf einen zweiten, oberhalb des ersten Stromwertes liegenden Wert anhebbar ist. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Ausgang des Komparators (6) und den Eingang der Leistungsstufe (4) ein Zeitglied (7) geschaltet ist, welches einen im wesentlichen unverzögerten Anstieg des Ausgangssignales (Sa) ) auf den zweiten Stromwert nnd ein verzögertes Abfallen des Ausgangssignales auf den ersten Stromwert ermöglicht. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Komparator (6) als Mikrocomputer bzw. Teil eines Mikrocomputers ausgebildet ist.

Inventors: SEIBT, ARTUR, DR. ING.
Applicants: VOEST-ALPINE AUTOMOTIVE GESELLSCHAFT MBH
Application year: 1985
Main classification: H02P8
IPC codes: H02P8