DE102014212612A1

DE102014212612A1 - Verfahren zur Erlangung eines Hinweises, insbesondere eines Anfangshinweises auf einen sich abzeichnenden Schrittverlust bei einem ein- oder mehrphasigen Schrittmotor

Info

Publication number: DE102014212612A1
Application number: DE102014212612.6A
Authority: DE
Inventors: Jörg Hartzsch
Original assignee: Elmos Semiconductor SE
Current assignee: Elmos Semiconductor SE
Priority date: 2014-06-30
Filing date: 2014-06-30
Publication date: 2015-12-31

Abstract

Das Verfahren dient zur Erlangung eines Hinweises, insbesondere eines Anfangshinweises auf einen sich abzeichnenden Schrittverlust bei einem einoder mehrphasigen Schrittmotor. Dabei wird bei der Schrittverlusterkennung bei Schrittmotoren mit an sich bekannten Schaltschemata gearbeitet, die keine hochohmigen Phasen aufweisen. Durch die Überwachung des Verlaufs des Spannungsabfalls über mindestens einem Treiber (Highside- oder Lowside-Schalter, realisiert zumeist in Form von Leistungstransistoren) kann die Rezirkulationszeitspanne abgeschätzt werden, indem der Vorzeichenwechsel des Spannungsabfalls zeitlich erfasst wird. Die Rezirkulationszeitspanne ist dabei die Zeitspanne zwischen dem Umschaltzeitpunkt des Schaltschemas als Beginn und dem Zeitpunkt des Vorzeichenwechsels des Spannungsabfalls über dem Treiber als Ende. Diese für jeweils eine der Motorphasen ermittelten Rezirkulationszeitspannen bzw. für mehrere Motorphasen ermittelten Rezirkulationszeitspannen werden nun miteinander verglichen, und zwar entweder pro Motorphase oder motorphasenübergreifend. Die Rezirkulationszeitspannen liegen größenmäßig innerhalb vorgebbarer Erwartungswertbereiche, die für fehlerfrei arbeitende Schrittmotoren erstellt worden sind. Abweichungen der aktuellen Rezirkulationszeitspannen von diesen Erwartungswertbereichen dienen erfindungsgemäß als Hinweis für einen drohenden Schrittverlust des Schrittmotors.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erlangung eines Hinweises, insbesondere eines Anfangshinweises auf einen sich abzeichnenden Schrittverlust eines elektrisch kommutierten Motors, nachfolgend Schrittmotor genannt.
Schrittmotoren, zu denen hier alle elektrisch kommutierten Motoren mit unterschiedlichen Modulierungsverläufen wie Block-Kommutierung, Halbschritt, Vollschritt, sowie verschiedene Microstepping-Varianten wie z.B. Sinus- oder Space-Vector-Modulation) gezählt werden, werden beispielsweise als Stellglieder zum präzisen Verfahren mechanischer Komponenten, wie beispielsweise Klimaklappen einer Kfz-Klimaanlage, Kühlergrillblenden, Licht-Nivelierung, Wasserventile, etc., verwendet. Dabei kann durch Vorgabe der Schritte, zu denen nachfolgend auch Halb-, Viertel-, n-tel Schritte sowie Microschritte gezählt werden, die mechanische Rotation der Schrittmotorwelle sowie die mechanische Bewegung des mechanischen Elements oder der zurückgelegte Weg vorgegeben werden. Dabei ist es wichtig, dass frühzeitig erkannt wird, wenn der Schrittmotor zwar elektrisch entsprechend einem Schritt angesteuert wird, dieser Schritt aber vom Schrittmotor mechanisch nicht ausgeführt wird (Schrittverlusterkennung).
In diesem Zusammenhang ist es bekannt, bei Schrittmotoren mit Block- oder PWM-Ansteuerung einen Komparator zu verwenden, der die Länge eines vom Motor in künstlich erzeugten hochohmigen Phasen zur Verfügung gestellten Impuls vermisst und auswertet.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schrittverlusterkennung für Schrittmotoren anzugeben, wobei für die Schrittverlusterkennung bei jeweils eingeschaltetem Treiber, also ohne Erzeugung hochohmiger Phasen, gearbeitet werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Verfahren zu Erlangung eines Hinweises, insbesondere eines Anfangshinweises auf einen sich abzeichnenden Schrittverlust bei einem ein- oder mehrphasigen, elektrisch kommutierten Elektromotor, nachfolgend Schrittmotor genannt, mit einer Ansteuereinheit, die pro Phase des Schrittmotors einen Highside-Schalter und einen Lowside-Schalter aufweist, vorgeschlagen,

– wobei in einer Pulsweitenmodulation (PWM-Betrieb) die Highside- und Lowside-Schalter der Phasen des Schrittmotors zyklisch geschaltet werden, und zwar gemäß einem für einen solchen Schrittmotor üblichen Schaltschema, in dem zu bestimmten Zeitpunkten eine Umschaltung der Dominanz des PWM-Wertes von mehr als 50 % auf weniger als 50 % oder umgekehrt und damit ein Vorzeichen- oder Richtungswechsel des Stromflusses erfolgt (bei rein ohmschen Lasten im Umschaltzeitpunkt zu einem Strom gleich Null führt und bei induktiven Lasten im Umschaltzeitpunkt sich als Folge dieser Umkehrung des Stromflusses dieser nicht sofort umkehrt, sondern sich auf Grund der induktiven Lastkomponente nach einer Rezirkulationszeitspanne im Betrag auf Null reduziert und dann weiter in Umkehrrichtung ändert),
– wobei das Abfallen des Stroms anhand des Spannungsabfalls über dem Treiber oder einem Strommesswiderstand ermittelt wird,
– wobei ein Vorzeichenwechsel des Spannungsabfalls über dem Highsidebzw. Lowside-Schalter bzw. Strommesswiderstand erfolgt, wenn die Rezirkulationszeitspanne beendet ist,
– wobei sich bei Schaltschemata mit Pulsweitenmodulation (PWM) die Rezirkulationszeit und damit eine erfindungsgemäße Erfassung derselben über mindestens einen PWM-Zyklus hinweg erstreckt und somit eine erfindungsgemäße zeitliche Erfassung derselben in der Lage ist, eine in einem PWM-Zyklus nicht beendete Messung in nachfolgenden PWM Zyklen weiter fortzusetzen,
– wobei bei PWM-Schaltschemata mit Modulationen in sinusartiger, rampenartiger oder Space-Vector-Form, genannt Microstepping, die Zeitmessung zu einem geeigneten Zeitpunkt um den Null-Durchgang der Bestromung gestartet wird,
– wobei die Rezirkulationszeitspanne abhängig ist vom Schaltschema, der Versorgungsspannung, Temperatur und Lastbedingungen und
– wobei bei Schrittmotoren ohne elektrische oder mechanische Fehler und ohne Schrittverluste (durch elektrische oder mechanische Fehler oder durch zu hohes Drehmoment) die Rezirkulationszeitspannen, deren Vergleiche zwischen den einzelnen Phasen und/oder innerhalb einzelner Phasen für sich in sequentieller Abfolge jeweils innerhalb vorherbestimmbarer Erwartungswertbereiche liegen,

– die Zeiterfassung der gesamten Rezirkulationszeitspanne über mindestens einen PWM-Zyklus hinweg erfolgt,
– mit Beginn des Umschaltzeitpunktes von Highside- auf Lowside-Schalter und/oder umgekehrt der Spannungsabfall und gegebenenfalls auch der Anstieg in Gegenrichtung über den aktivierten Highside- oder Lowside-Schalter oder dem Strommesswiderstand auf das Erreichen eines vorgegeben Schwellwertes hin zeitlich erfasst wird,
– bei einer Rezirkulationszeitspanne von mehr als einem PWM-Zyklus die Zeitmessung sich über mindestens zwei PWM-Zyklen erstreckt, wobei ein Ende der Zeiterfassung nur bei dem Ausgangszustand der Zeiterfassung gleichen Zuständen des PWM-Generators erfolgt, und
– bei einer Abweichung der Zeitwerte zwischen den einzelnen Phasen untereinander und/oder jeder einzelnen Phase für sich in sequentieller Abfolge gegenüber dem Erwartungswertbereich ein Hinweis auf einen sich anbahnenden Schrittverlust des Schrittmotors erlangt wird.

Nach der Erfindung wird also bei der Schrittverlusterkennung bei Schrittmotoren mit an sich bekannten Schaltschemata gearbeitet, die keine hochohmigen Phasen aufweisen. Durch die Überwachung des Verlaufs des Spannungsabfalls über mindestens einem Treiber (Highside- oder Lowside-Schalter, realisiert zumeist in Form von Leistungstransistoren) kann die Rezirkulationszeitspanne abgeschätzt werden, indem der Vorzeichenwechsel des Spannungsabfalls zeitlich erfasst wird. Die Rezirkulationszeitspanne ist dabei die Zeitspanne zwischen dem Umschaltzeitpunkt des Schaltschemas als Beginn und dem Zeitpunkt des Vorzeichenwechsels des Spannungsabfalls über dem Treiber als Ende. Diese für jeweils eine der Motorphasen ermittelten Rezirkulationszeitspannen bzw. für mehrere Motorphasen ermittelten Rezirkulationszeitspannen werden nun miteinander verglichen, und zwar entweder pro Motorphase in sequentieller Abfolge oder motorphasenübergreifend. Die Rezirkulationszeitspannen und die oben beschriebenen Vergleiche liegen innerhalb vorgebbarer Erwartungswertbereiche, die für fehlerfrei arbeitende Schrittmotoren erstellt worden sind. Abweichungen der aktuellen Rezirkulationszeitspannen und deren Vergleiche von diesen Erwartungswertbereichen dienen erfindungsgemäß als Hinweis für einen drohenden Schrittverlust des Schrittmotors.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können die Highside- und Lowside-Schalter gemäß einer Pulsweitenmodulation betrieben werden.
Wie oben bereits dargelegt, wird also nach der Erfindung der zeitliche Verlauf des Spannungsabfalls über mindestens einen der Treiber während der Rezirkulationsphase überwacht, um anhand eines Vergleichs mehrerer Rezirkulationszeitspannen einzelner oder mehrerer Motorphasen potentielle Abweichungen von Erwartungswertbereichen zu detektieren, innerhalb derer die Dauer der Rezirkulationszeitspannen störungsfrei arbeitender Schrittmotoren liegen, um daraus einen ersten Hinweis auf einen drohenden Schrittverlust zu erhalten. Solange in der Rezirkulationsphase ein Strom von der Motorphase zurückgespeist wird, hat der Spannungsabfall über dem Treiber ein inverses Vorzeichen im Vergleich zum späteren zeitlichen Verlauf des Spannungsabfalls, in dem der Treiber als Treiber und nicht als Last arbeitet. Mit einer Erkennungsschaltung wird nun der Spannungsabfall über dem Treiber überwacht. Bei Umschaltung der Spule bzw. bei einem Motorschritt an geeigneter Stelle in der Nähe das Vorzeichenwechsels des Stroms wird diese Schaltung ausgewertet und die Zeit vermessen und ausgewertet, die der Rezirkulationsstrom zum Abklingen benötigt (Vorzeichenwechsel des Spannungsabfalls). Bei Steppermotoren und anderen elektrisch kommutierten Motoren ist der Messwert ein Maß für den Lastzustand. Einem drohenden Schrittverlust kann beispielsweise dadurch begegnet werden, dass die Ansteuerung des Schrittmotors geändert bzw. seine Drehzahl geändert wird (z.B. Erhöhung der Ansteuerung, Phasen und/oder Drehfrequenzkompensation).
Durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise wird also anhand des Stabilitätsverhaltens der Zeitdauern der Rezirkulationszeitspannen ein potentiell drohender Schrittverlust erkannt. Mit einem ersten Hinweis auf einen Schrittverlust kann bei Bedarf die aktuelle Verfahrposition des mechanischen Gesamtsystems bzw. die aktuelle Position des Schrittmotors zwischengespeichert werden. Bei einer später als eindeutig erkannten Schrittverlustsituation kann dann auf diese mechanische Position zurückgegriffen werden.
Zwecks Klassifizieren der Abweichung des betreffenden Parameters von dem entsprechenden Erwartungswert oder bereich können Verfahren zur statistischen Mustererkennung Anwendung finden, mit denen Betriebszustände des elektrischen (Schritt-)Motors klassifizierbar sind, um definierte Maßnahmen zur Minimierung der Auswirkung von Fehlfunktionen und zur Prognostizierung der zukünftigen Auswirkungen einer Fehlfunktion auf den Motor ergreifen zu können. Die Prognose kann dabei in Form zukünftiger möglicher Betriebszustände erfolgen, denen Wahrscheinlichkeiten und/oder Bewertungszahlen (z.B. Auswirkungsbewertungen) zugeordnet sind.
Hierbei können ein oder mehrere der nachfolgend aufgelisteten Verarbeitungsschritte durchgeführt werden:

a) Bilden eines Feature-Vektors aus mehreren Werten der Abweichungen, die gleichzeitig und/oder sequenziell festgestellt werden wobei der Feature-Vektor auf einfache und höhere Ableitungen und/oder einfache und höhere Integrale dieser Werte und/oder andere aus diesen Werten abgeleitete Größen sowie weitere Größen aus anderen Sensorsystemen umfassen kann.
b) Multiplikation eines Feature-Vektors mit einer Lineardiskriminanzanalyse-(LDA-)Matrix zu einem modifizierten Feature-Vektor zur Steigerung der Selektivität.
c) Vergleich des modifizierten Feature-Vektors mit prototypischen Vektoren, d.h. den Betriebszustandsprototypen, die insbesondere in einer Prototypendatenbank abgelegt sind, wobei das Ergebnis des Vergleiches ein binärer und/oder digitaler und/oder analoger Abstandswert zwischen dem modifizierten Feature-Vektor und dem jeweiligen prototypischen Vektor je bewertetem prototypischen Vektor ist.
d) Selektion mindestens eines Betriebszustandsprototyps der besagten Datenbank aufgrund eines Abstandswertes, wobei insbesondere der Betriebszustandsprototypen mit dem kleinsten Abstandswert und/oder der Betriebszustand mit der schwersten Auswirkung und/oder mit der schwersten Auswirkungsbewertung selektiert wird.
e) Ausgabe zumindest des selektierten Betriebszustandsprototypen.
f) Gegebenenfalls Ausgabe zumindest des Abstandswertes der dem Feature-Vektor relativ zum selektierten Betriebszustandsprototypen zugeordnet ist und/oder eines daraus abgeleiteten Wertes.
h) Gegebenenfalls Ausgabe weiterer selektierte Betriebszustandsprototypen und zugehöriger Abstandswerte und/oder daraus abgeleiteter Werte zur Ausgabe einer Hypothesenliste, die typischerweise auch den selektierten Betriebszustandsprototypen und dessen Abstandswert umfasst.
i) Gegebenenfalls Ermittlung der wahrscheinlichsten Kette von Betriebszustandsprototypen und Prognose mindestens eines folgenden prognostizierten Betriebszustandes oder einer prognostizierten Betriebszustandssequenz.
j) Gegebenenfalls Einleitung von Maßnahmen auf Grund des selektierten Betriebszustandes und/oder der ermittelten Hypothesenliste und/oder des prognostizierten Betriebszustandes oder der prognostizierten Betriebszustandssequenz.

Alternativ zu den an sich bekannten Grundverfahren der statistischen Mustererkennung können zur Verarbeitung der Abweichungen des betreffenden Parameters von dem diesem zugeordneten Erwartungswert oder bereich neuronale Netze und/oder Petrinetze und/oder Fuzzy-Logik und/oder ein Viterbi-Algorithmus eingesetzt werden.
Wie bereits oben erwähnt, werden die aktuellen Rezirkulationszeitspannen und deren Vergleiche mit Erwartungswertbereichen verglichen. Diese Erwartungswertbereiche können beispielsweise empirisch im Vorhinein ermittelt werden oder auf andere Weise bestimmt werden, indem

– die Erwartungswerte für maximal zulässige Abweichungen bei denen noch kein Schrittverlust erkannt werden soll, an jedem Motorsystem für sich nach der Produktion mit fehlerfreiem aber grenzwertigem Lastzustand angelernt werden, also die typischen Werte ermittelt und mit wählbaren zusätzlichen zulässigen Toleranzen versehen in der Ansteuereinheit als maximal zulässiger Erwartungswertbereich abgelegt werden,
– die Erwartungswerte für maximal zusätzliche zulässige Abweichungen, bei denen noch kein Schrittverlust erkannt werden soll, an einem oder mehreren vorgealterten Elektromotoren als Referenzsystemen mit fehlerfreiem aber grenzwertigem Lastzustand angelernt werden, also die typischen Werte ermittelt und mit wählbaren zusätzlichen zulässigen Toleranzen versehen in der Ansteuereinheit als maximal zulässiger Erwartungswert abgelegt werden, und
– die Erwartungswerte für maximal zulässige Abweichungen, bei denen noch kein Schrittverlust erkannt werden soll, im Laufe der Lebenszeit des Schrittmotors mit höheren Toleranzen versehen werden.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Zeitmesseinheit linear, also mit gleichbleibender Zählgeschwindigkeit arbeitet.
Von Vorteil kann es sein, wenn die Zeitmesseinheit logarithmisch arbeitet.
Vorteilhaft kann es sein, wenn eine begonnene laufende Zeitmessung eines Treibers in PWM-Phasen mit Gegenbeschaltung angehalten wird.
Von Vorteil kann es ferner sein, wenn eine begonnene laufende Zeitmessung eines Treibers in PWM-Phasen mit Gegenbeschaltung weiterläuft.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass anstelle der beschriebenen exakten Zeitmessung lediglich zu einem festen Zeitpunkt nach jeder Treiberaktivierung in einem PWM-Schema eine Überprüfung auf Über- oder Unterschreitung einer vorgebbaren Komparatorschwelle, die einem Stromwert entspricht, erfolgt und demzufolge die Zeitmessung in der dadurch entstehenden Auflösung (Anzahl von PWM-Zyklen) erfolgt.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann ferner vorgesehen sein, dass bei Erkennung eines potentiellen Schrittverlusts, also eines ersten Anfangshinweises, die aktuelle Position des Schrittmotors, die sich aus einer Zählung von bis zu diesem Zeitpunkt erfolgten Schritten ergibt, gespeichert wird.
Ferner kann es zweckmäßig sein, wenn bei PWM-Schaltschemata mit Microstepping (z.B. Modulationen in sinusartiger, rampenartiger oder Space-Vector-Form) die Modulation zum Start der Zeitmessung bei einem einstellbaren PWM-Wert vor Erreichen des Nulldurchganges abgebrochen und direkt auf den Nulldurchgangswert gesetzt wird.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein,

– dass die Erwartungswerte für maximal zulässige Abweichungen, bei denen noch kein Schrittverlust erkannt werden soll, an jedem Motorsystem für sich nach der Produktion mit fehlerfreiem aber grenzwertigem Lastzustand angelernt, also die typischen Werte ermittelt und mit wählbaren zusätzlichen zulässigen Toleranzen versehen in der Ansteuereinheit als maximal zulässiger Erwartungswert abgelegt werden, und/oder
– dass die Erwartungswerte für maximal zusätzliche zulässige Abweichungen, bei denen noch kein Schrittverlust erkannt werden soll, an einem oder mehreren vorgealterten Referenzsystemen mit fehlerfreiem aber grenzwertigem Lastzustand angelernt, also die typischen Werte ermittelt und mit wählbaren zusätzlichen zulässigen Toleranzen versehen in der Ansteuereinheit als maximal zulässiger Erwartungswert abgelegt werden, und/oder
– dass die Erwartungswerte für maximal zulässige Abweichungen, bei denen noch kein Schrittverlust erkannt werden soll, im Laufe der Lebenszeit des Motors mit höheren Toleranzen versehen werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand diverser Ausführungsbeispiele sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im Einzelnen zeigen dabei:
1 ein Ausführungsbeispiel einer Beschaltungsoption für einen grundsätzlich beliebigen dreiphasigen Steppermotor,
2 ein alternatives Beschaltungsschema für einen zweiphasigen Schrittmotor,
3 eine graphische Darstellung einer Kommutierungsoption (Sinus- oder Space-Vector-Kommutierung), wobei lediglich der Ausschnitt des Kommutierungsverlaufs im Bereich eines Vorzeichenwechsels dargestellt ist, und
4 ein Ausschnitt aus der PWM-Kurve A1 der Darstellung nach 3, wobei neben dem Stromverlauf zusätzlich auch der Kurvenverlauf für den Spannungsabfall mit Vorzeichenwechsel dargestellt ist.
Ein mögliches Beschaltungsschema für einen dreiphasigen Elektromotor mit elektrischer Kommutierung zeigt 1. Der Motor S-M wird über eine Treiber-Vollbrücke angesteuert, wobei jeder Motorphase U, V und W ein Schalterpaar, bestehend aus einem Highside-Schalter U_H, V_H bzw. W_H und einem Lowside-Schalter U_L, V_L bzw. W_L zugeordnet ist. Der Spannungsabfall über jedem Schalter wird überwacht, und zwar mittels der Komparatoren KU_H, KV_H, KW_H, KU_L, KV_L und KW_L. Jeder Motorphase U, V und W ist dabei ein Paar von Komparatoren zugeordnet. Mit Hilfe dieser Komparatoren ist es möglich festzustellen, wann sich die Richtung des durch einen Schalter fließenden Stroms umkehrt. Damit lässt sich der Nulldurchgang des Stroms durch einen Schalter ermitteln. Konstruktionsbedingt sowie ansteuerungsbedingt liegt der Nulldurchgang innerhalb eines Erwartungswertbereichs (Erwartungszeitfenster). Durch Überprüfung der Zeitpunkte der Nulldurchgänge über mehrere bzw. sämtliche Motorphasen hinweg betrachtet bzw. innerhalb einer Motorphase betrachtet, kann dann auf fehlerhafte Lastbedingungen geschlossen werden. Sofern die naturgemäß von Phase zu Phase oder innerhalb einer Phase abweichenden Nulldurchgangszeitpunkte einem reproduzierbaren Muster folgen, kann dies mit konstruktionsbedingten Asymmetrien des Motors in Verbindung gebracht werden. Nicht reproduzierbare und insbesondere nicht vorhersehbare Abweichungen der Nulldurchgangszeitpunkte von den Erwartungswertbereichen lassen auf fehlerhafte Lastbedingungen schließen. Derartige Abweichungen sind also als erstes Anzeichen für eine fehlerhafte Lastbedingung des Motors zu werten.
Sofern statt eines Schrittmotors gemäß 1 ein bipolarer Schrittmotor eingesetzt wird, ist eine Halbbrücke zu ersetzen.
2 zeigt die Beschaltung eines bipolaren Steppermotors mit den Highsideund Lowside-Schaltern A1_H, A2_H, A1_L, A2_L, B1_H, B2_H, B1_L und B2_L. Ein entsprechend Kommutierungsschema für einen derartigen Steppermotor ist beispielhaft in 4 angegeben. Auch hier ist zu erkennen, dass im Funktionsblock L Rezirkulationszeitspannen t(A1), t(A2), t(B1) und t(B2) miteinander verglichen werden. Dieser Vergleich kann motorphasenübergreifend oder aber innerhalb einer Motorphase bzw. jeder Motorphase erfolgen.
Eine bevorzugte Ausführungsvariante für die Ermittlung der Rezirkulationszeitspanne ist eine logarithmische Zeitmessung. Diese folgt einer einem Logarithmus angenäherten Funktion, und zwar in der Art, dass sich mit zunehmender Zählzeit die Geschwindigkeit des Zählers verringert. Das hat folgende Vorteile:

a) Es können kleine und große Zeiten mit der gleichen relativen Genauigkeit ermittelt werden. Eine unnötig hohe Genauigkeit bei großen Absolutzeitmessungen entfällt.
b) Die Anzahl auszuwertender Bits pro Messwert verringert sich drastisch.
c) Die Ermittlung von Zeitverhältnissen, für die üblicherweise eine "Punktrechnung" notwendig ist, kann wegen der Logarithmusbildung durch eine "Strichrechnung" nachgebildet werden. Dies verringert den Hardwareund Software-Aufwand bei der Vergleichsoperation.
d) Es kann eine kostensparende Umsetzung der Auswertung entweder durch eine kleinere Logik und/oder CPU-zeitsparende Realisierung in einem Controller erfolgen.

Ferner sind in 2 wiederum die Komparatoren dargestellt, die den Spannungsabfallverlauf über den einzelnen Treibern (Highside- und Lowside-Schaltern) auf den Vorzeichenwechsel hin überwachen. In der Auswerteeinheit werden dann wiederum die Zeitdifferenzmessungen und die Vergleiche der Differenzmessungen sowie die Auswertung selbst auf Erlangung eines ersten Hinweises hinsichtlich eines potentiell drohenden Schrittverlusts durchgeführt.
In 3 ist ein Kommutierungsverlauf als Beispiel für die Ansteuerung eines bipolaren Schrittmotors gezeigt, wobei lediglich die Ausschnitte im Bereich eines Vorzeichenwechsels dargestellt sind. Bezogen auf das Beispiel der 2 erkennt man anhand der ersten oberen Signalverläufe, wie die Anschlüsse A1 und A2 angesteuert werden. Bezogen auf den sinusförmigen Verlauf der an diesen Anschlüssen jeweils anliegenden Spannungen entspricht die maximale negative Spannung –100 %, die maximale positive Spannung +100 % und die Spannung 0 (im Umpolzustand) 0 %. Bezogen auf den duty cycle im PWM-Betrieb der Highside- und Lowside-Schalter A1_H, A2_H, A1_L und A2_L entspricht die maximale positive Spannung an einem Phasenanschlusse A1 bzw. A2 100 %, die maximale negative Spannung 0 % und die Spannung 0 Volt 50 %. Der Dominanzwert im PWM-Betrieb wechselt also von > 50 % auf < 50 % bzw. umgekehrt, wenn die Spannung über einer Motorphase invertiert wird.
In der untersten Kurve der 3 ist der zum Spannungsversorgungsverlauf einer Motorwicklung zeitlich versetzte Stromverlauf durch die Motorwicklung bzw. durch den entsprechenden Highside- bzw. Lowside-Schalter dargestellt. Zu erkennen ist, dass dieser zeitliche Versatz de Δt_R entspricht. Die Zeitmessung der Rezirkulationszeitspanne beginnt in dem Augenblick, in dem an der Motorwicklung die Polung der Spannungsversorgung umgekehrt wird, also bei einem PWM-duty cycle von 50 %. Diese Zeitmessung endet in dem Augenblick, in dem die dem überwachten Treiber (Highside- oder Lowside-Schalter) der betreffenden Motorphase zugeordneten Komparatoren den Vorzeichenwechsel im Spannungsabfallverlauf signalisieren.
Ein Ausschnitt aus der PWM-Ansteuerung am Anschluss A1 der Motorphase der 3 (siehe den sinusförmigen Verlauf A1) mit zusätzlicher Darstellung des Spannungsabfallverlaufs über dem zugehörigen Treiber ist in 4 gezeigt. 4 zeigt eine Kommutierungsoption für einen mehrphasigen Elektromotor. In diesem Fall ist eine Sinus- bzw. Space-Vector-Kommutierung dargestellt, und zwar innerhalb des Ausschnittes des Kommutierungsverlaufs, in dem der Stromrichtungs-Vorzeichenwechsel in in diesem Beispiel der Phase U stattfindet. Die dünne Kurve in 4 stellt die theoretische Spannung bei beliebig niederohmiger Ansteuerung der Treiberschalter dar. Die dickere Kurve stellt den Spannungsverlauf unter Berücksichtigung des Spannungsdrops über den betreffenden Treiberschalter dar. In 4 ist also auch der Stromverlauf dargestellt, der zeitlich versetzt um die Rezirkulationszeit gegenüber dem Spannungsverlauf an A1 ist. Die dünn gezeichnete Linie in 4 stellt die theoretische Spannung bei beliebig niederohmiger Ansteuerung des Treibers dar. Die dickere Linie stellt den Spannungsverlauf unter Berücksichtigung des Spannungsabfalls über dem Treiber dar.

Claims

Verfahren zu Erlangung eines Hinweises, insbesondere eines Anfangshinweises auf einen sich abzeichnenden Schrittverlust bei einem ein- oder mehrphasigen, elektrisch kommutierten Elektromotor, nachfolgend Schrittmotor genannt, mit einer Ansteuereinheit, die pro Phase des Schrittmotors einen Highside-Schalter und einen Lowside-Schalter aufweist, – wobei in einer Pulsweitenmodulation die Highside- und Lowside-Schalter der Phasen des Schrittmotors zyklisch geschaltet werden, und zwar gemäß einem für einen solchen Schrittmotor üblichen Schaltschema, in dem zu bestimmten Zeitpunkten eine Umschaltung der Dominanz des PWM-Wertes von mehr als 50 % auf weniger als 50 % oder umgekehrt und damit ein Vorzeichen- oder Richtungswechsel des Stromflusses erfolgt, – wobei das Abfallen des Stroms anhand des Spannungsabfalls über dem Treiber oder einem Strommesswiderstand ermittelt wird, – wobei ein Vorzeichenwechsel des Spannungsabfalls über dem Highside- bzw. Lowside-Schalter bzw. Strommesswiderstand erfolgt, wenn die Rezirkulationszeitspanne beendet ist, – wobei sich bei Schaltschemata mit Pulsweitenmodulation (PWM) die Rezirkulationszeit und damit eine erfindungsgemäße Erfassung derselben über mindestens einen PWM-Zyklus hinweg erstreckt und somit eine erfindungsgemäße zeitliche Erfassung derselben in der Lage ist, eine in einem PWM-Zyklus nicht beendete Messung in nachfolgenden PWM Zyklen weiter fortzusetzen, – wobei bei PWM-Schaltschemata mit Modulationen in sinusartiger, rampenartiger oder Space-Vector-Form, genannt Microstepping, die Zeitmessung zu einem geeigneten Zeitpunkt um den Null-Durchgang der Bestromung gestartet wird, – wobei die Rezirkulationszeitspanne abhängig ist vom Schaltschema, der Versorgungsspannung, Temperatur und Lastbedingungen und – wobei bei Schrittmotoren ohne elektrische oder mechanische Fehler und ohne Schrittverluste die Rezirkulationszeitspannen, deren Vergleiche zwischen den einzelnen Phasen und/oder innerhalb einzelner Phasen für sich in sequentieller Abfolge jeweils innerhalb vorherbestimmbarer Erwartungswertbereiche liegen, wobei bei dem Verfahren – die Zeiterfassung der gesamten Rezirkulationszeitspanne über mindestens einen PWM-Zyklus hinweg erfolgt, – mit Beginn des Umschaltzeitpunktes von Highside- auf Lowside-Schalter und/oder umgekehrt der Spannungsabfall und gegebenenfalls auch der Anstieg in Gegenrichtung über den aktivierten Highsideoder Lowside-Schalter oder dem Strommesswiderstand auf das Erreichen eines vorgegeben Schwellwertes hin zeitlich erfasst wird, – bei einer Rezirkulationszeitspanne von mehr als einem PWM-Zyklus die Zeitmessung sich über mindestens zwei PWM-Zyklen erstreckt, wobei ein Ende der Zeiterfassung nur bei dem Ausgangszustand der Zeiterfassung gleichen Zuständen des PWM-Generators erfolgt, und – bei einer Abweichung der Zeitwerte zwischen den einzelnen Phasen untereinander und/oder jeder einzelnen Phase für sich beides in sequentieller Abfolge gegenüber dem Erwartungswertbereich ein Hinweis auf einen sich anbahnenden Schrittverlust des Schrittmotors erlangt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitmesseinheit linear, also mit gleichbleibender Zählgeschwindigkeit arbeitet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitmesseinheit logarithmisch arbeitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine begonnene laufende Zeitmessung eines Treibers in PWM-Phasen mit Gegenbeschaltung angehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine begonnene laufende Zeitmessung eines Treibers in PWM-Phasen mit Gegenbeschaltung weiterläuft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle der beschriebenen exakten Zeitmessung lediglich zu einem festen Zeitpunkt nach jeder Treiberaktivierung in einem PWM-Schema eine Überprüfung auf Über- oder Unterschreitung einer vorgebbaren Komparatorschwelle, die einem Stromwert entspricht, erfolgt und demzufolge die Zeitmessung in der dadurch entstehenden Auflösung erfolgt.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erkennung eines potentiell bevorstehenden Schrittverlusts, also eines ersten Anfangshinweises, die aktuelle Position des Schrittmotors, die sich aus einer Zählung von bis zu diesem Zeitpunkt erfolgten Schritten ergibt, gespeichert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei PWM-Schaltschemata mit Microstepping die Modulation zum Start der Zeitmessung bei einem einstellbaren PWM-Wert vor Erreichen des Nulldurchganges abgebrochen und direkt auf den Nulldurchgangswert gesetzt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwartungswerte für maximal zulässige Abweichungen, bei denen noch kein Schrittverlust erkannt werden soll, an jedem Motorsystem für sich nach der Produktion mit fehlerfreiem aber grenzwertigem Lastzustand angelernt, also die typischen Werte ermittelt und mit wählbaren zusätzlichen zulässigen Toleranzen versehen in der Ansteuereinheit als maximal zulässiger Erwartungswert abgelegt werden.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwartungswerte für maximal zusätzliche zulässige Abweichungen, bei denen noch kein Schrittverlust erkannt werden soll, an einem oder mehreren vorgealterten Referenzsystemen mit fehlerfreiem aber grenzwertigem Lastzustand angelernt, also die typischen Werte ermittelt und mit wählbaren zusätzlichen zulässigen Toleranzen versehen in der Ansteuereinheit als maximal zulässiger Erwartungswert abgelegt werden.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwartungswerte für maximal zulässige Abweichungen, bei denen noch kein Schrittverlust erkannt werden soll, im Laufe der Lebenszeit des Motors mit höheren Toleranzen versehen werden.