Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Regelung des Motorstroms bei einem elektrischen Motor, insbesondere einem Schrittmotor, mittels eines Chopper-Verfahrens.

Es ist bekannt, mittels Chopper-Verfa hren aus einer zugeführten Motor-Versorgungsspannung für jede Motorspule eines Schrittmotors die in jede Spule entsprechend einer Stromvorgabe (Soll-Spulenstrom) jeweils einzuprägende Stromrichtung, Stromhöhe und Stromform (im Mikroschrittbetrieb üblicherweise eine sinus- bzw. cos-Form) mittels PWM-Pulsen zu erzeugen, um damit den Rotor des Motors anzutreiben.

Dabei werden drei verschiedene Spulenstromphasen unterschieden, die durch das Chopper-Verfahren aktiviert werden:

In der ON-Phase wird der Spulenstrom in einer Spule jeweils in der momentan vorgegebenen Polarität bzw. Richtung des Spulenstroms aktiv durch die Spule getrieben, so dass der Spulenstrombetrag relativ schnell und kontinuierlich ansteigt (Ein- schaltperiode). Die durch eine ON-Phase eingeprägte Spulenstromrichtung ist also gleich der momentanen Polarität bzw. Richtung des Spulenstroms.

Die Polarität des Spulenstromes ist dabei im Falle eines sinusförmigen Spulenstromes z.B. positiv im ersten und zweiten Quadranten und negativ im dritten und vier- ten Quadranten.

In der Fast-Decay-(FD-) Phase wird der Spulenstrom entgegen der gerade vorgegebenen Polarität des Spulenstroms durch Umpolen der Spule und Rückspeisung des Spulenstroms in die Stromversorgung abgebaut. Die FD-Phase dient dazu, den Spu- lenstrom insbesondere in der Phase fallenden Spulenstrombetrages (d.h. während des zweiten und vierten Quadranten eines sinusförmigen Spulenstroms) relativ schnell abzubauen und zu verhindern, dass die Stromvorgabe zum Beispiel durch die Gegen-EMK verfälscht wird. Als dritte Phase des Chopper-Betriebes ist die Rezirkulationsphase oder Slow-Decay- (SD-) Phase zu nennen, in der die Spule nicht aktiv angesteuert sondern kurzgeschlossen bzw. gebrückt wird, so dass der Spulenstroms aufgrund des Innenwiderstandes der Spule und der Gegen-EM K nur allmählich (d.h. langsamer als während der FD-Phasen) betragsmäßig abfällt.

Diese drei Chopper-Phasen werden also durch den Chopper mit Hilfe von einer Motor-Treiberschaltung zugeführten Chopper-Scha ltsignalen (üblicherweise PWM- Signale) zeitlich so aktiviert, bemessen und kombiniert, dass der tatsächliche Spulenstrom über seinen gesamten (z.B. sinusförmigen) Verlauf, also während der stei- genden und der fallenden Stromphasen, möglichst zeitnah und genau einer Stromvorgabe (Soll-Spulenstrom) folgt und insbesondere durch die durch den Rotor in den Motorspulen gegeninduzierte Spannung (Gegen-EM K) möglichst nicht verändert wird. Dazu ist es erforderlich, den tatsächlichen Spulenstrom in geeigneter Weise zu messen oder zu bestimmen.

Aufgrund der mit einer solchen Messung oder Bestimmung verbundenen Ungenau- igkeiten sowie aufgrund der üblichen Streuungen sowohl der elektrischen Bauteileeigenschaften der Motor-Treiberschaltungen als auch des Innenwiderstandes und der Induktivität der Motorspulen unterscheidet sich der tatsächliche Verlauf des Spulenstroms jedoch stets zumindest geringfügig von dem vorgegebenen Sollverlauf des Spulenstroms. Andere Gründe hierfür liegen ferner in der aufgrund praktischer Kompromisse mehr oder weniger ungena uen Erfassung der Spulenstrom- Messwerte, die beispielsweise bei Brücken-Fußpunktmessung nur während der ON- und FD-Phasen möglich ist. Insbesondere aber das verwendete Chopperprinzip, das heißt, die Art, in der aufgrund der Messwerte die ON-, FD- und SD-Phasen gesteuert werden, führt im mer zu einer gewissen Abweichung des tatsächlichen Spulen- stromverlaufs von dem Sollverlauf des Spulenstroms. Dies ist schon allein durch die diskrete, aus praktischen und physikalischen Gründen begrenzte Arbeits- und damit auch Chopperfrequenz begründet. Es hat sich gezeigt, dass solche Abweichungen i nsbesondere im Bereich des N ul ldu rchga ngs des tatsäch lichen Spu lenstroms nachteilige Effekte hervorrufen können, indem der Motor z.B. ein höheres Laufgeräusch sowie Resonanzen und schlechtere Positionierungseigenschaften zeigt.

Eine Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, besteht deshalb darin, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Regelung des Motorstroms bei einem elektrischen Motor, insbesondere einem Schrittmotor, mittels eines C hopper-Verfahrens zu schaffen, mit dem/der der tatsächliche Verlauf eines Spulenstroms insbesondere im Bereich von dessen Nulldurchgang noch wesentlich genauer und zumindest in dem Ma ße einem vorgegebenen Soll-Spulenstromverlauf angepasst werden kann, dass die oben genannten nachteiligen Effekte nicht mehr spürbar auftreten bzw. für eine konkrete Anwendung vernachlässigbar sind.

Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Verfahren nach Anspruch 1 und einer Schaltungsanordnung nach Anspruch 14.

Das erfindungsgemäße Prinzip ist sowohl für 2-Phasen-Schrittmotoren, also auch für 3- und Mehrphasen-Schrittmotoren anwendbar.

Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten, beispielhaften Ausführungsformen anhand der Zeichnung. Es zeigt: Fig. 1 Schaltbilder mit verschiedenen Stromrichtungen in einer Motorspule während des Chopperbetriebes;

Fig. 2 verschiedene Abweichungen eines tatsächlichen Spulenstroms von einem vorgegebenen Soll-Spulenstrom während einer vollen Stromperiode;

Fig. 3 ein erstes Diagramm eines Teils des Verlaufes eines tatsächlichen Spulenstroms bei einem Chopper-Verfahren mit konstanter Hysterese;

Fig. 4 ein zweites Diagramm eines Teils des Verlaufes eines tatsächlichen Spulenstroms bei einem Chopper-Verfahren mit konstanter Hysterese im Bereich eines Nulldurchgangs des Soll-Spulenstroms;

Fig. 5 ein drittes Diagramm eines Teils des Verlaufes eines tatsächlichen Spulenstroms bei einem Chopper-Verfahren mit variabler Hysterese;

Fig.6 eine Darstellung eines tatsächlichen und eines vorgegebenen (Soll-) Spulen- Stromverlaufes über eine gesamte Stromperiode bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und

Fig. 7 ein Prinzipschaltbild einer Schrittmotor-Ansteuereinheit mit den zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wesentlichen Komponenten für eine der Spulen eines Schrittmotors.

Zunächst sollen die drei eingangs genannten Spulenstrom- oder Chopper-Phasen sowie die Probleme, die sich im Zusammenhang mit diesen Phasen gezeigt haben, näher erläutert werden. Die drei Phasen sind schematisch in Figur 1(A), Figur 1(B) bzw. Figur 1(C) angedeutet. Diese drei Figuren zeigen jeweils eine Brückenschaltung aus einem ersten bis vierten Schalter Swl, Sw2, Sw3, Sw4, wobei ein erster und ein zweiter Schalter Swl, Sw2 sowie ein dritter und ein vierter Schalter Sw3, Sw4 je- weils in Reihe gescha ltet und die beiden Reihenschaltungen parallel miteinander verbunden sind. Die Motorspule L ist mit den Mittelpunkten der Brückenzweige verbunden. Der Fußpunkt der Brückenschaltung ist typischerweise über ei nen Messwiderstand Rs mit Masse verbunden, während der Kopf der Brückenschaltung an eine Spannungs- bzw. Stromversorgung U der Treiberschaltung angeschlossen ist. Figur 1(A) zeigt die Schalterstellungen und die daraus resultierende Richtung des Stromflusses I durch die Spule L wä hrend der oben genannten ersten oder ON- Phase, in der diese Richtung die gleiche ist wie die vorgegebene Richtung bzw. Pola- rität des Spulenstroms, wobei der erste und der vierte Schalter Swl, Sw4 geschlossen und der zweite und der dritte Schalter Sw2, Sw3 geöffnet sind.

Figur 1(B) zeigt die Schalterstellungen und die daraus resultierende Umpolung der Spule L sowie die Rückspeisung des Spulenstroms I in die Spannungsversorgung U, d.h. entgegen der Richtung der Stromvorgabe bzw. der Polarität des Spulenstroms während der oben genannten zweiten oder Fast-Decay-Phase, in der der erste und der vierte Schalter Swl, Sw4 geöffnet und der zweite und der dritte Schalter Sw2, Sw3 geschlossen sind. Schließlich zeigt Figur 1(C) die dritte oder Slow-Decay-Phase (SD-Phase), bei der die Spule L kurzgeschlossen oder gebrückt ist, d.h. der zweite und der vierte Schalter Sw2, Sw4 sind geschlossen, während der erste und der dritte Scha lter Swl, Sw3 geöffnet sind (oder entsprechend umgekehrt), so dass sich der in der Spule L fließende Strom I entsprechend dem Innenwiderstand der Spule L allmählich abbaut, d.h. rezirkuliert.

Der Einfachheit halber wird für die folgenden Betrachtungen eine sinusförmige Strom-Ansteuerung der Spulen angenommen, d.h. bei einem 2-Phasen-Motor bzw. -Schrittmotor wird eine der Spulen mit einem sinusförmigen Stromverlauf und die andere Spule mit einem cosinusförmigen Stromverlauf bestromt. Die Betrachtungen gelten jedoch bei nicht-sinusförmiger Ansteuerung und/oder 3- oder Mehrphasen- Schrittmotoren, bei denen die ansteuernden Ströme eine andere Phasenverschiebung (zum Beispiel 120°) zueinander aufweisen, entsprechend. Ferner werden für die folgenden Betrachtungen Phasen steigenden Spulenstrombetrages (d.h. während des ersten und dritten Quadranten des sinusförmigen Spulenstroms) und Phasen fallenden Spulenstrombetrages (d.h. während des zweiten und vierten Quadranten des sinusförmigen Spulenstroms) in den Spulen L unterschie- den. Jede dieser Stromphasen wird durch das Chopper-Verfahren in eine geeignete Anzahl von ON-, FD- und ggf. SD-Phasen so unterteilt und realisiert, dass der Spulenstrom der sinusförmigen Stromvorgabe möglichst genau folgt.

Es sind verschiedene Algorithmen bekannt, mit denen in dem Chopper-Verfahren die zeitlichen Dauern dieser drei Chopper-Phasen und deren Abfolge eingestellt werden können.

Während die ON-Phasen im Allgemeinen dann beendet werden, wenn ein momentaner tatsächlicher Betrag des Spulenstroms einen momentanen Sollwert des Spu- lenstrombetrages erreicht hat, werden die FD-Phasen oftmals ungeregelt nach Ablauf einer bestimmten Zeitdauer mit dem Ziel beendet, in der jeweiligen FD-Phase den in der Applikation aufgrund von Erfahrungswerten maximal notwendigen Abbau des Spulenstroms zu gewährleisten, ohne diesen tatsächlich zu messen. Dieses Verfahren führt oftmals zu einem Absinken des tatsächlichen Spulenstrombetrages unter den Sol l-Spulenstrom betrag, so dass sich ein für den Motor ungünstiger Stromverlauf wie z.B. in Figur 2(A) gezeigt ergibt. Dieser ungünstige Spulenstrom- verlauf kann zwar durch einen Offset auf dem Soll-Spulenstrom in gewissen Grenzen kompensiert werden. Dies gelingt jedoch oftma ls nicht gena u genug, da die Kompensation nicht von Fall zu Fall eingemessen oder nachgeregelt wird. Sie müss- te optimalerweise beispielsweise an die Geschwindigkeit, die Versorungsspannung und die Temperatur des Motors angepasst werden. Trotzdem weicht auch mit einer solchen Kompensation der tatsächliche Spulenstromverlauf IL oftmals von dem Soll- Spulenstromverlauf Is ab. Dieser Fehler wirkt sich bei aufeinanderfolgenden positiven und negativen Sinus- Halbwellen des Spulenstroms insbesondere im Bereich von dessen Nullduchgang nachteilig aus, wie es zum Beispiel in Figur 2(A) und 2(B) dargestellt ist. Wenn nämlich der oben erläuterte Fehler, der durch nicht angepasste FD-Phasen verursacht wird, nicht berücksichtigt wird, so tritt der in Figur 2(A) gezeigte Fall ein, in dem der Betrag des tatsächlichen Spulenstroms IL im Mittel um einen gewissen Wert unter den vorgegebenen Betrag des Soll-Spulenstroms Is absinkt, so dass sich bei einer Folge von positiven und negativen Halbwellen des Spulenstroms eine Ab- flachung oder, wie in Figur 2(A) gezeigt, ein längeres Verweilen im Bereich des Nulldurchgangs des Spulenstroms ergibt.

Wenn hingegen der o.g. Fehler der FD-Phasen mittels eines Offsets in der Ansteuerschwelle überkompensiert wird, zeigt sich der in Figur 2(B) dargestellte umgekehrte Fall, in dem in jeder Halbwelle des tatsächlichen Spulenstroms I L dieser nicht vollständig abgeba ut wird, so dass sich bei einer Folge von positiven und negativen Halbwellen im Bereich des N ulldurchgangs ein Sprung zwischen den Halbwellen ergibt. Um einen Vergleich zwischen einem momentanen tatsächlichen Spulenstrombetrag und einem momentanen Sollwert des Spulenstrombetrages durchführen zu können, wird der momentane tatsächliche Spulenstrom üblicherweise mit einem Messwiderstand Rs (siehe Figur 1) im Fußpunkt der Brückenschaltung, über die der Spulenstrom durch die betreffende Spule geleitet wird, gemessen (wobei die Strommes- sung auch auf andere Weise, zum Beispiel digital mit einem A/D-Wandler, erfolgen kann) und dann in einem Komparator mit dem momentanen Sollwert des Spulenstrombetrages verglichen. Diese Anordnung hat sich als schaltungstechnisch einfach und robust zu realisieren herausgestellt, insbesondere bei monolithischen Bausteinen. Einen wichtigen Beitrag bei dieser Art der Spulenstrom-Messwerterfassung liefert auch die an die Applikation angepasste Blanking-Zeit, innerhalb derer kein Messwert genommen wird. Diese Zeit wird nach jedem Wechsel einer Chopper- Phase (ON, FD, SD) abgewartet, damit Stromschwankungen aufgrund von parasitären Spulenkapazitäten und anderen Effekte abklingen können und ein Messverstärker auf einen hinreichend genauen Wert einschwingen kann.

Um die Verlustleistung in dem Messwiderstand Rs zu minimieren, muss dieser möglichst klein sein. Es hat sich allerdings gezeigt, dass die Messung des daraus resultierenden geringen Spannungsabfalls, zumal wenn dieser im Bereich des N ulldurchgangs des Spulenstroms gemessen wird, relativ ungenau ist und fehlerbehaftet sein kann, da ein Komparator üblicherweise einen Offset aufweist. Auch der Innenwiderstand der Motorspulen sowie deren Induktivität streuen exemplar- und temperaturabhängig, so dass eine ungeregelte Kompensation des Offsets oftmals nicht genau genug möglich ist. Das oben erläuterte Chopper-Grundprinzip hat im Ergebnis somit Ungenauigkeiten hinsichtlich einer zeitlich möglichst optimalen Beendigung der FD-Phasen und damit die eingangs erläuterten Abweichungen des tatsächlichen Spulenstroms von einem vorgegebenen Soll-Spulenstrom insbesondere im Bereich des Nulldurchgangs des tatsächlichen Spulenstroms zur Folge.

Da im Bereich des Nulldurchgangs des Stroms durch eine Spule nur diese Spule den Drehwinkel des Motors bestimmt (in der jeweils anderen Spule ist im Mikroschritt- betrieb zu diesem Zeitpunkt der Scheitelpunkt des Spulenstroms erreicht), reagiert der Motor insgesamt sehr empfindlich auf Sprünge oder Abflachungen des Spulen- Stroms während des Nulldurchgangs und zeigt, wie oben erwähnt wurde, ein höheres Laufgeräusch sowie Resonanzen und schlechtere Positionierungseigenschaften.

Erfindungsgemäß wird somit ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung geschaffen, mit dem/der ein Motor mit einem Spulenstrom betrieben wird, der zumindest im N ulldurchgang des Spulenstroms wesentlich genauer einem Soll-Spulenstrom folgt, und mit dem eine gute Symmetrie der Sinusform des Spulenstroms bezüglich des Nulldurchgangs des Spulenstroms erzielt wird.

Ein Merkmal der Erfindung besteht darin, dass anstelle der beka nnten FD-Phase eine umgekehrte ON-Phase, im Folgenden a ls ON r-Phase bezeichnet, geschaffen wird, die zwar wie eine FD-Phase zum Abbau des Spulenstrom-Betrages dient, deren Da uer jedoch in ähnlicher Weise wie es oben für die ON-Phasen beschrieben wurde, in Abhängigkeit von einer Abweichung eines momenta nen tatsächlichen Wertes des Spulenstroms von einem momentanen Sollwert des Spulenstroms gere- gelt wird. Die ONr-Phase wird dabei so lange aufrecht erhalten bzw. erst dann beendet, bis/wenn der momentane Zielstromwert erreicht ist.

Aus Gründen, die weiter unten noch erläutert werden, entspricht der Zielstromwert, auf den der tatsächliche Spulenstrom während der ONr-Phase geregelt wird (im Folgenden "unterer" Zielstromwert genannt), jedoch vorzugsweise nicht genau dem momentanen Sollwert des vorgegebenen Spulenstroms (also z.B. dem Momentanwert des vorgegebenen sinusförmigen Stromverlaufes), sondern er ist hinsichtlich seines Betrages kleiner als dieser.

Vorzugsweise wird auch während der ON-Phase der tatsächliche Spulenstrom auf einen Zielstromwert (im Folgenden "oberer" Zielstromwert genannt) geregelt, der hinsichtlich seines Betrages größer ist, als der momenta ne Sollwert des Spulenstroms.

Diese beiden Beträge (nachfolgend auch "Hysterese" genannt) könnten unterschiedlich groß sein, sie sind jedoch vorzugsweise zumindest im Wesentlichen gleich groß, so dass der untere und der obere Zielstromwert jeweils um den gleichen Betrag von dem momentanen Sollwert des Spulenstroms nach unten bzw. nach oben abweichen. Der gesamte Verlauf des tatsächlichen Spulenstroms wird somit abwechselnd zwischen jeweils einem oberen und einem unteren Zielstromwert geregelt, so dass sich der tatsächliche Spulenstrom innerhalb eines Fensters oder Schlauches bewegt, das/der durch die oberen und unteren Zielstromwerte begrenzt ist. Der daraus re- sultierende mittlere tatsächliche Spulenstromverlauf weicht dabei nicht oder nur geringfügig von dem vorgegebenen Soll-Spulenstromverlauf (also z.B. der Sinusform) a b. Auf diese Weise können inbesondere eventuelle Abflachungen oder Sprünge im Bereich des Nulldurchgangs des Spulenstroms vermieden werden. Mit anderen Worten wird also das genannte Fenster (Schlauch) so gelegt, dass sich ein mittlerer tatsächliche Spulenstromverlauf (der innerhalb des Fensters liegt) ergibt, der nicht oder nur geringfügig von dem vorgegebenen Soll-Spulenstromverlauf abweicht. Dabei wird zur Stabilisierung des Timings bzw. zur Begrenzung der Chopperfrequenz nach oben vorzugsweise zwischen jeweils einer ON-Phase (a uch erste Phase genannt) und einer darauf folgenden ONr-Phase (auch zweite Phase genannt) sowie vorzugsweise auch zwischen jeweils einer ONr-Phase und einer darauf folgenden ON-Phase jeweils eine SD-Phase mit zu diesem Zweck geeignet (d. h. insbesondere applikationsabhängig) bemessener Dauer eingefügt.

Die SD-Phasen haben da bei vorzugsweise eine vorbestimmte konstante zeitliche Dauer, d ie zur Begrenzung der Chopper-Zyklusfrequenz insbesondere nach oben oder auch nach unten geeignet voreingestellt ist. Die Dauer kann jedoch auch wäh- rend des Chopper-Verfahrens in Abhängigkeit von bestimmten Betriebszuständen oder zur Veränderung der genannten Frequenzbegrenzung verlängert und/oder verkürzt werden.

Als Chopperfrequenz (oder Chopper-Zyklusfrequenz) wird in dieser Anmeldung die Wiederholfrequenz der Chopperzyklen bezeichnet, die jeweils durch eine Abfolge der Phasen ON-SD-ONr-SD (nachfolgend Chopperzyklus genannt) gebildet sind (insbesondere bei konstantem oberen und unteren Zielstromwert). Mit dieser Chopper- Zyklusfrequenz ändert sich somit der Spulenstrom zyklisch zwischen dem oberen und dem unteren Zielstromwert. Diese Frequenz soll im Allgemeinen außerhalb des hörbaren Bereichs (>20kHz) liegen, damit sie akustisch nicht hörbar ist, andererseits soll sie aber auch nicht zu weit oberhalb dieses Bereiches liegen, um Ummagnetisie- rungsverluste im Motor und Schaltverluste in der Motor-Treiberschaltung zu minimieren. Figur 3 zeigt für einen kurzen zeitlichen Ausschnitt aus einer Spulenstromperiode den sich durch die obige Abfolge der Phasen ON-SD-ONr-SD ergebenden tatsächlichen Spulenstrom IL. Da bei wird während der ON-Phase der tatsächliche Spulenstrom I L auf einen oberen Zielstromwert ONP geregelt und fällt während der dann folgenden SD-Phase betragsmäßig geringfügig ab. Mit Beginn der ONr-Phase wird der tatsächliche Spulenstrom IL anschließend auf einen unteren Zielstromwert ONN geregelt und fällt dann während der folgenden SD-Phase betragsmäßig noch weiter geringfügig ab. Schließlich ist in Figur 3 a uch der sich wä hrend dieses Chopper- zyklusses ergebende mittlere tatsächliche Spulenstrom I Lm im Vergleich zu dem vorgegebenen Soll-Spulenstrom Is angedeutet.

Figur 4 zeigt diese Stromverläufe für einen kurzen zeitlichen Ausschnitt aus einer Spulenstromperiode im Bereich von deren Strom-N ulldurchgang. Aus dieser Darstellung wird deutlich, dass die Stromverläufe wä hrend eines Chopperzyklusses (ON-SD-ONr-SD) im Bereich des Nulldurchgangs vollständig symmetrisch liegen, so dass der mittlere tatsächliche Spulenstrom I Lm in diesem Bereich genau dem vorgegebenen Soll-Spulenstrom Is entspricht.

Die Erfassung des tatsächlichen Spulenstroms I L erfolgt wiederum vorzugsweise mittels eines Messwiderstandes Rs im Fußpunkt der Brückenschaltung, über die der Spulenstrom IL durch die betreffende Motorspule geführt wird (oder auch auf ande- re bekannte Weise), sowie eines Komparators zum Vergleichen des tatsächlichen Spulenstroms IL mit dem jeweiligen oberen und unteren Zielstromwert ONP, ONN.

Da ein solcher Komparator somit bidirektional arbeitet, hat ein Offset des Kompara- tors lediglich eine Asymmetrie zwischen dem positiven und dem negativen Scheitelwert der tatsächlichen Spulenstromperiode, nicht hingegen einen Sprung oder eine Abflachung des Spulenstroms im Bereich von dessen Nulldurchgang zur Folge. Aufgrund der Umpolung des Komparators zwischen einer ON- und einer ONr-Phase während jedes Chopperzyklusses ka nn eine eventuelle Asym metrie sogar im Be- reich eines Chopperzyklusses ausgeglichen werden.

Die oberen und unteren Zielstromwerte ONP, ONN werden vorzugsweise dadurch erzeugt, dass die zugeführten momentanen Sollwerte des Spulenstroms Is jeweils um den ersten bzw. zweiten Betrag (die vorzugsweise wie oben erlä utert gleich groß sind) erhöht bzw. vermindert werden, bevor sie einem Komparator zum Vergleichen mit dem erfassten momentanen tatsächlichen Spulenstromwert zugeführt werden.

Alternativ oder zusätzlich dazu können die oberen und unteren Zielstromwerte ONP, ONN jeweils auch durch Beschaltung des Komparators in der Weise erzeugt werden, dass dieser eine entsprechende Hysterese beim Vergleich der o.g. Stromwerte aufweist.

I n beiden Fällen werden die ersten und zweiten Beträge (nachfolgend einheitlich "Hysterese" bezeichnet) zumindest so groß gewä hlt, dass Ungenauigkeiten des Komparators und Totzeiten bei der Erfassung der Spulenstrom-Werte (Blanking des Komparators) nicht zu ei ner ungena uen Nachführung des tatsächlichen Spulenstroms gegenüber dem Soll-Spulenstrom und damit zu Instabilitäten der Regelung führen. Dies bedeutet, dass die Hysterese mindestens einen bestimmten Minimal- wert haben muss, der so groß ist, dass innerhalb der Blankzeit des Komparators (wenige Mikrosekunden, die benötigt werden um nach einem Wechsel einer Chop- perphase den Spulenstromwert wieder korrekt erfassen zu können) keinesfalls der obere bzw. untere Zielstromwert erreicht wird. Die Chopper-Zyklusfrequenz ergibt sich aus der (vorzugsweise fest vorgewählten und somit konstanten) Dauer der SD-Phasen zuzüglich der Dauer der ON- und der ONr-Phase, welche aus der Spuleninduktivität, der Stromhysterese sowie der Versorgungsspannung (abzüglich der Gegen-EMK und der ohm'schen Verluste R*l) resultieren.

Wenn allerdings z.B. die Versorgungspannung U der Schaltung nur geringfügig o- berhalb bzw. unterhalb der zur Regelung des Spulenstroms I L auf die oberen bzw. unteren Zielstromwerte mindestens notwendigen Spannung liegt und somit die ON- Phasen bzw. die ONr-Phasen relativ lang werden müssen, bis der Spulenstrom IL die vorgegebenen oberen bzw. unteren Zielstromwerte erreicht hat, so besteht die Gefahr, dass die Chopperzyklen (ON-SD-ONr-SD) insgesa mt relativ lang werden und damit die Chopper-Zyklusfrequenz so weit absinkt, dass diese in den hörbaren Bereich gelangt. Darüber hinaus kann diese Frequenz auch bei einer hohen Motorinduktivität entsprechend absinken.

Ein solches Absinken kann vermindert oder beseitigt werden, indem die oben genannten ersten und zweiten Beträge (Hysterese) möglichst niedrig gewählt werden u nd so m it d ie Zie lstro mwe rte n u r ge ri ngfügig über bzw. unter den Soll- Spulenstromwerten Is liegen.

Um sicherzustellen, dass die Chopper-Zyklusfrequenz stets oberhalb des hörbaren Bereiches bleibt, müsste allerdings eine sehr kleine Hysterese gewählt bzw. eingestellt werden. Dies kann jedoch wiederum zu der oben erläuterten Gefahr einer zu losen Nachführung des tatsächlichen Spulenstroms führen. Darüber hinaus würde eine sehr geringe Hysterese hohe Anforderungen an die Genauigkeit und die Ge- schwindigkeit sowie die Symmetrie des Komparators zwischen negativen und positiven Messwerten stellen und Bauelemente mit sehr geringen Toleranzen erfordern, was mit entsprechenden Kostennachteilen verbunden wäre. Wenn somit kein optimaler Wert für die Hysterese gefunden werden kann, mit dem beide o.g. Probleme zufriedenstellend gelöst werden können, so wird vorzugsweise eine variable Hysterese eingeführt, und zwar für zumindest eine der beiden Chop- per-Phasen ON und ON r. Wenn die va ria ble Hysterese nur für eine der beiden Chopper-Phasen realisiert wird, kann die andere der beiden Chopper-Phasen eine wie oben beschrieben feste, d.h. konstante Hysterese haben. Ferner kann in dem Fall, in dem nur die ON-Phase mit der variablen Hysterese realisiert wird, die ONr- Phase ggf. eine bekannte FD-Phase sein. Die Auswahl dieser Varianten und die Bemessung der Hysterese erfolgt in Abhä ngigkeit von dem Anwendungsfall in der Weise, dass die oben genannten Anforderungen erfüllt werden bzw. eine möglichst gute Symmetrie des Verlaufes des tatsächlichen Spulenstroms IL in Relation zu dem Soll-Spulenstrom Is erreicht wird.

Zusätzlich oder alternativ dazu könnten zur Erreichung dieser Ziele zwar prinzipiell auch die SD-Phasen eingestellt bzw. zeitlich verkürzt werden. Da die SD-Phasen je- doch wie oben erwähnt wurde bevorzugt dazu dienen, die Chopper-Zyklusfrequenz nach oben hin zu begrenzen und somit zu diesem Zweck eine bestimmte konstante zeitliche M indestlä nge a ufweisen m üsse n, wi rd von ei ne r Verkürzung der SD- Phasen nach Möglichkeit nicht Gebrauch gemacht. Zur Realisierung der variablen Hysterese wird zu Beginn jeder ON-Phase und/oder ONr-Phase zunächst ein relativ hoher Wert der Hysterese, der die oben zuletzt genannten Probleme einer zu geringen Hysterese (lose Nachführung des tatsächlichen Spulenstroms etc.) nicht entstehen lässt, als vorgegebener Anfangswert festgelegt. Um zu verhindern, dass unter den oben genannten oder anderen Bedingungen die zeitliche Dauer der ON-Phase bzw. der ONr-Phase zu lang und damit die Frequenz der Chopperzyklen in bestimmtem Maße absinkt oder einen bestimmten Wert unterschreitet oder hörbar wird, wird die Hysterese von Beginn an jedes Chopper- zyklusses (d.h. jeweils während jeder ON- und/oder jeder ONr-Phasen eines jeden Chopperzyklusses) von ihrem Anfa ngswert bis maximal auf einen vorgegebenen unteren Wert (Endwert) vermindert, der auch bei null oder nahe null liegen kann.

Wenn dabei der vorgegebene untere Wert der Hysterese erreicht ist, bleibt diese konstant, bis die ON- bzw. ONr-Phase beendet ist. Umgekehrt wird die ON- bzw. ONr-Phase natürlich beendet, wenn der tatsächliche Spulenstromwert den (Hyste- rese-abhängigen) Zielstromwert erreicht hat, auch wenn zu diesem Zeitpunkt die Hysterese ihren unteren Wert (der den zweiten Zielstromwerten entspricht, s.u.) noch nicht erreicht hat.

Mit anderen Worten bedeutet dies, dass während jedes gleichen Chopperzyklusses während jeder ON-Phase der obere Zielstromwert ONP an den momentanen Sollwert des Spulenstroms Is und/oder während jeder ON r-Phase der untere Zielstromwert ON N an den momentanen Sol lwert des Spulenstroms Is angenähert wird, um zu gewährleisten, dass die jeweilige Chopper-Phase und damit auch der betreffende Chopperzyklus innerhalb einer tolerierbaren maximalen Dauer beendet und diese Dauer nicht überschritten wird, weil zum Beispiel die Versorgungsspannung gerade relativ niedrig ist. Somit wird a uch verhindert, dass die Chopper- Zyklusfrequenz nicht zu stark abfällt bzw. einen gewünschten unteren Werte nicht unterschreitet. Zu diesem Zweck kann die Geschwindigkeit und/oder der Betrag der Annäherung geeignet gewählt werden.

Figur 5 zeigt für einen Chopperzyklus die sich dabei ergebenden Stromverläufe und Zielstromwerte fü r eine ON- und ei ne ON r-Phase. Der vorgegebene (hohe) Anfangswert der Hysterese entspricht einem ersten oberen bzw. einem ersten unteren Zielstromwert ONP1, ONN1, deren betragsmäßiger Abstand von dem momentanen Wert des vorgegebenen Soll-Spulenstromes vorzugsweise gleich ist. Der vorgegebe- ne maximale untere Wert oder Endwert der Hysterese entspricht einem zweiten oberen bzw. einem zweiten unteren Zielstromwert ONP2, ONN2, die jeweils einen geringeren Abstand von dem momentanen Sollwert des Spulenstroms Is haben, als der erste obere bzw. der erste untere Zielstromwert ON Pl, ONNl, wobei dieser Abstand ebenfalls betragsmäßig vorzugsweise gleich groß ist.

Ferner ist mit gestrichelten Linien Hd die aus der Absenkung des Hysterese resultierende Absenkung bzw. Erhöhung (d.h. Annäherung) des ersten oberen bzw. ersten unteren Zielstromwertes in Richtung auf den jeweils zweiten oberen bzw. den zwei- ten unteren Zielstromwert angedeutet, wobei diese Absenkung bzw. Erhöhung während jedes einzelnen Chopperzyklusses erfolgt und sich mit jedem Chopper- zyklus wiederholt. Die Steilheit bzw. Geschwindigkeit der Absenkung bzw. Erhöhung (die vorzugsweise betragsmäßig gleich sind) kann durch Einstellung der Häufigkeit und/oder der Höhe der vorzugsweise in diskreten Stufen erfolgenden Dekrementie- rung der Hysterese vorgenommen werden. Alternativ dazu ist auch ein analoger, kontinuierlicher Ansatz für die Verminderung der Hysterese denkbar.

Das Absenken bzw. Ansteigen der ersten Zielstromwerte ONPl, ONNl in Richtung auf die zweiten Zielstromwerte ONP2 bzw. ONN2 und damit in Richtung auf den momentanen Wert des vorgegebenen Soll-Spulenstromes hat also zur Folge, dass die Zielstromwerte dem jeweiligen tatsächlichen Spulenstrom IL entgegenkommen und damit verhindert wird, dass die ON- bzw. die ONr-Phase zu lang wird, weil aufgrund bestimmter Betriebsbedingungen (niedrige Versorgungsspannung etc.) der tatsächlichen Spulenstrom IL nur langsam ansteigt. Damit wird einem Absinken der Chopper-Zyklusfrequenz in einen hörbaren Bereich entgegen gewirkt. Gleichzeitig besteht aufgrund der variablen Hysterese auch nicht die Gefahr, dass die zweiten Zielstromwerte ONP2 und ON N2 bereits wä hrend der Kompa rator-Blanking-Zeit erreicht werden und somit der Strom zu lose nachgeführt wird. In diesem Zusammenhang sei noch erwähnt, dass die Annäherung der ersten Zielstromwerte an den momentanen Wert des vorgegebenen Soll-Spulenstromes aus Gründen der einfachen Realisierung zumindest im Wesentlichen zeitlich linear erfolgt, auch wenn natürlich auch eine nichtlineare Annäherung möglich wäre.

Schließlich ist auch in Figur 5 der sich aus dem tatsächlichen Spulenstromverlauf IL ergebende mittlere Spulenstrom ILm angedeutet, der in diesem Fall (d.h. für momentane Sollwerte des Spulenstroms, die nicht im Bereich von dessen Nulldurchgang liegen) wiederum geringfügig unter dem vorgegebenen Soll-Spulenstromver- lauf Is liegt.

I m Bereich des Nulldurchgangs liegen wiederum ana log zu Figur 4, insbesondere wenn die va ria ble Hysterese für die ON- u nd die O N r-Phase realisiert wird, die Stromverläufe während eines Chopperzyklusses (ON-SD-ONr-SD) vollständig sym- metrisch, so dass der mittlere tatsächliche Spulenstrom ILm in diesem Bereich genau dem vorgegebenen Soll-Spulenstrom Is entspricht.

Es sei erwähnt, dass sich die Absenkung bzw. Erhöhung der ersten Zielstromwerte ONP1, ONN1 in Richtung auf die zweiten Zielstromwerte ONP2, ONN2 grundsätzlich a uch über meh rere a ufeinander folgende Chopperzyklen (d. h. ON- bzw. O N r- Phasen) erstrecken kann, so dass also während einer ON- (bzw. ONr-) Phase die Hysterese konstant ist und diese erst in der nächsten ON- (bzw. ONR-) Phase vermindert wird, so dass die zweiten Zielstromwerte ONP2, ONN2 ggf. erst nach mehreren Chopperzyklen erreicht sind, bevor die Hysterese wieder auf ihren (hohen) Anfangswert zu Beginn der dann folgenden nächsten ON- bzw. ONr-Phase zurückgesetzt wird.

Der hohe Anfangswert und der niedrige Endwert der variablen Hysterese sowie die Geschwindigkeit der Absenkung wird dabei wiederum so gewählt, dass die oben genannten Probleme (lose Nachführung des tatsächlichen Spulenstroms etc., bzw. zu niedrige Frequenz der Chopperzyklen etc.) nicht auftreten.

Figur 6 zeigt den mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbaren mittleren Spu- lenstromverlauf ILm über eine gesamte Spulenstromperiode im Vergleich zu einem vorgegebenen sinusförmigen Soll-Spulenstromverlauf Is. Aus dieser Figur wird deutlich, dass beide im Bereich des Nulldurchgangs im wesentlichen keine Abweichung voneinander und insbesondere auch keine Asymmetrie aufweisen und nur in den Scheitelbereichen leichte Skalierungsabweichungen auftreten.

Figur 7 zeigt schließlich ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Diese Schaltungsanordnung umfasst als an sich bekannte Komponenten eine Motor-Treiberschaltung DR, mit der über Ausgänge HS (High Side), LS (Low Side) und BM (Brückenmittelpunkt) jeweils eine der beiden Brückenschaltungen angesteuert wird, mit der jeweils eine der beiden Spulen A; B des in diesem Falle 2-Phasen-Motors M mit Strom versorgt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch in entsprechender Weise auch bei einem 3- oder Mehrphasen-Motor mit einer entsprechend höheren Anzahl von Motorspulen anwendbar, in die jeweils mit einem erfindungsgemäßen Chopper-Verfahren die Spulenströme wie oben erläutert eingeprägt werden.

Die im Folgenden beschriebenen erfindungsgemäßen Komponente n de r Schaltungsanordnung, mit der die Treiberschaltung DR über Eingänge A angesteuert wird, sind nur für eine der beiden Spulen (nämlich Spule A) des Schrittmotors M gezeigt. Diese Komponenten sind somit noch einmal für die andere Motorspule B (und ggf. für jede weitere Motorspule) zu realisieren und mit entsprechenden Eingängen B etc. der Treiberschaltung DR zu verbinden.

Wie bereits oben erwähnt wurde, wird der tatsächliche, durch eine Spule A des Mo- tors M fließende Strom IL vorzugsweise mittels eines Messwiderstandes Rs(A) im Fußpunkt der Brückenschaltungen erfasst, über die die betreffende Spule A mit Strom versorgt wird.

Die Motorspule A wird, wie oben erwähnt wurde, nur während der ON- und/oder der ON r-Phasen a ktiv a ngesteuert, und zwar wä hrend de r ON-Phase mit einem Strom ILAl in Richtung der vorgegebenen (d.h. Soll-) Spulenstromrichtung und während der ONr-Phase mit einem Strom ILA2 in der dazu entgegengesetzten Richtung. Dies gilt, ebenso wie alle folgenden Erläuterungen, entsprechend zeitversetzt auch für die andere Motorspule B.

Um die in den Figuren 3 bis 5 gezeigten Stromverläufe IL durch die Spule A zu treiben, werden der Treiberschaltung DR die durch einen Chopper CH für die beiden Richtungen der Spulenströme ILAl, ILA2 erzeugten PWM-Pulse I LAl H/L, ILA2 H/L zugeführt.

Die entsprechend der Richtung der Spulenströme I LAl, I LA2 an dem Messwiderstand Rs(A) abfallende positive bzw. negative Spannung wird einem ersten Eingang eines Komparators K zugeführt, an dessen zweitem Eingang der Ausgang eines Digital/Ana log-Wandlers DAC anliegt, mit dem die wie folgt beschrieben vorzugsweise in der digitalen Ebene erzeugten oberen und unteren Zielstromwerte in ana loge Werte umgewa ndelt werden (die Zielstromwerte kön nen a uch d urch a na loge Signalverabeitung erzeugt werden, dann ist der Digital/Analog-Wandler DAC natürlich überflüssig). Der Chopper CH erzeugt dann an einem ersten Ausgang al in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Komparators K die der Treiberschaltung DR zugeführten PWM-Pulse ILAl H/L, ILA2 H/L in der Weise, dass der tatsächliche Spu- lenstromverlauf IL gemäß obiger Beschreibung erzielt wird.

Alternativ und analog zu der dargestellten Erfassung mittels eines Komparators K kann der Spulenstrom auch über einen ADC (Analog/Digital-Wandler) erfasst werden, um die Signalverarbeitung vollständig in der digitalen Ebene vorzunehmen. Der Chopper CH weist neben einem ersten Eingang el für das Ausgangssignal des Kompa rators K einen zweiten Eingang e2 zur Einstellung des Anfangswertes der Hysterese H (und somit der ersten Zielstromwerte ONP1, ONN1), einen dritten Ein- gang e3 zur Einstellung einer t ₀ FF-Zeit des Choppers und einen vierten Eingang e4 für die vorgegebene momentane Richtung (Polarität) P/N des Soll-Spulenstroms Is durch die Spule A auf.

An einem zweiten Ausgang a2 des Choppers CH liegt ein Anfangswert (hoher Wert) der Hysterese H mit der erforderlichen Polarität an, während an einem dritten Ausgang a3 ein Schaltsignal ON/ONr-C zur U mschaltung zwischen der ON-Phase und der ONr-Phase abgegeben wird.

Die Schaltungsanordnung umfasst weiterhin eine Einrichtung zur Erzeugung der Zielstromwerte in Form ei nes Hysterese-Dekrementers HD zur Dekrementierung des Anfangswertes der Hysterese H (entsprechend den ersten Zielstromwerten), und zwar, wie oben erläutert, zum Zeitpunkt des Beginns einer jeden ON- (und/oder ONr-) Phase. Ein erster Eingang des Dekrementers HD ist zu diesem Zweck mit dem zweiten Ausgang a2 des Choppers CH verbunden. Über einen zweiten Eingang des Dekremente rs H D ka n n die Geschwindigkeit und der Endwert des Hysterese- Dekrementes De zum Beispiel in Abhängigkeit von der Chopperzyklus-Frequenz eingestellt werden. Aus diesen Werten ergeben sich die Steigung der Hystereseänderung Hd und (siehe unten) die zweiten Zielstromwerte. Die Schaltungsanordnung weist weiterhin einen Addierer/Subtrahierer A/S auf, mit dem ein zugeführter momentaner (digitaler) Sollwert des Spulenstrom Is mit der aktuellen (d.h. dekementierten) Hysterese H(t) beaufschlagt wird. Dabei wird in Abhängigkeit von dem Schaltsignal ON/ONr-C die momentane Hysterese H(t) zu dem Soll-Spulenstromwert addiert oder von diesem subtrahiert, so dass jeweils ein momentaner zweiter oberer bzw. unterer Zielstromwert, d.h. ein an den vorgege- benen Soll-Spulenstrom angenäherter Zielstromwert, fü r die ON- bzw. die ONr- Phase entsteht.

Diese momentanen zweiten oberen und unteren Zielstromwerte werden dann ei- nem ersten Eingang eines Umschalters U sowie über einen Inverter Inv einem zweiten Eingang des Umschalters U zugeführt, an dessen Ausgang der Eingang des Digital/Ana log-Wandlers DAC a nliegt, um daraus die momenta nen analogen oberen und unteren Zielstromwerte zu erzeugen, die dem zweiten Eingang des Kompara- tors K zum Vergleich mit den gemessenen momentanen Spulenstromwerten IL zu- geführt werden.

Der U mschalter U wird mittels des an dem dritten Ausgang a3 des Choppers CH anliegenden Schaltsignals ON/ONr-C entsprechend der aktuellen Phase zwischen der ON-Phase und der ONr-Phase umgeschaltet. Somit werden also während einer ONr-Phase die zugeführten Zielstromwerte gegenüber der ON-Phase invertiert, so dass die Polarität dieser Zielstromwerte der Polarität des aktuellen Stromsignals am Messwiderstand Rs(A) entspricht, welches ja - bedingt durch die hier dargestellte Art der Messung im Fußpunkt der Brückenschaltung - in der ON r-Phase im Vergleich zur ON-Phase ebenfalls invertiert ist.

Die Höhe H der Hysterese, d.h. deren Anfangswert (und damit der/die ersten Zielstromwerte) kann über den zweiten Eingang e2 des Choppers CH individuell durch den Anwender eingestellt werden. Dies betrifft auch die über den zweiten Eingang des Dekrementers HD einstellbare Geschwindigkeit, mit der der Anfangswert der Hysterese ve rm indert wird, bzw. den Endwe rt de r Dekrementieru ng De (der dem/den zweiten Zielstromwerten entspricht). Andererseits ist es auch denkbar, diese Werte automatisch in Abhängigkeit von der momentanen Höhe der Chop- perfrequenz, der Höhe der Versorgungsspannung, usw. so einzustellen, dass die oben genannten Probleme vermieden werden. Die zweiten Zielstromwerte ONP2, ONN2, d.h. die minimal mögliche Hysterese, sind/ist vorzugsweise in jedem Chopperzyklus gleich. Dieser Endwert der Hysterese kann nahe oder bei dem Wert Null liegen, so dass die zweiten Zielstromwerte ONP2, ONN2 entsprechend nahe an dem Wert des vorgegebenen Soll-Spulenstro- mes liegen oder diesem gleich sein können.

Sofern auf die oben beschriebene Verminderung der Hysterese verzichtet werden kann, weil zum Beispiel die Hörbarkeit der Chopperfrequenz nicht von Belang ist, erfolgt keine Dekrementierung. Sie kann somit auch durch einen Anwender auf ei- nen festen, d.h. sich nicht vermindernden Wert eingestellt werden, wenn dieser den Betriebsbedingungen bereits in gewünschtem Maße Rechnung trägt.