SKERKA, Wolfgang (Pattburger Strasse 36, Rendsburg, 24768, DE)
BEY, Ulf (Busdorfer Weg 8, Grossharrie, 24625, DE)
SKERKA, Wolfgang (Pattburger Strasse 36, Rendsburg, 24768, DE)
R 5265
PATENTANSPRüCHE
1. Verfahren zum Betreiben eines mit wenigstens einem Schrittmotor angetriebenen Anzeigegeräts mit Anzeigeskalen, gekennzeichnet durch
Ermitteln geeigneter Stepweiten wenigstens in den als mit stroboskopi- schen Zittereffekten behaftet erkannten Bereichen bei der Ansteuerung jeweils eines Schrittmotors zum Bewegen der Anzeigeskala in einem Meßlauf beim Start des Gerätes oder auf Anforderung,
Speichern der ermittelten Stepweiten in Form einer Anpassungsgröße, und
Betreiben des/der Schrittmotor(s/e) mit geeigneter Stepweitenauflösung in den Bereichen die als mit den zu vermeidenden Stroboskopzittereffek- ten behaftet identifiziert sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittelung der mit stroboskopischen Zittereffekten behafteten Bereichen der mit unterschiedlichen Stepweiten betriebenen Schrittmotore ein Meßlauf durchgeführt wird, indem :
ein Schrittmotor mit einer definierten vorbestimmten Stepweite angesteuert und ein an der Anzeigerose vorgesehener Meßpunkt durch einen Sensor neben der Anzeigerose mit seiner elektrischen Sensorantwort erfaßt wird,
die Anzeigerose mit variierenden Stepweiten am Sensor vorbeibewegt wird wobei stets die Sensorantwort des Meßpunktes dabei erfaßt wird, und
ein Soll/Ist- Vergleich erfolgt, zur Ermittlung der Stepweiten, bei denen Resonanz herrscht und/oder Schritte ausgelassen werden.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein induktiver Abgriffeines Metallplättchens an der Anzeigerose erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Kompassrosen die Anzeigeskalen bilden und die jeweiligen Stepweiten der Schrittmotore für die beiden Kompassrosen zu den tabellarisch ermittelten Werten abgespeichert werden. |
Verfahren zum Betreiben eines mit wenigstens einem Schrittmotor angetriebenen Anzeigegeräts
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines mit wenigstens einem Schrittmotor angetriebenen Anzeigegeräts mit Anzeigeskalen nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches, insbesondere eines Ruderlagen- oder Fahrtrichtungsanzeigers eines Schiffes.
Solche direkt angetriebenen Anzeigegeräte, die zudem oft noch eine zweite, zur Feinablesung dienende Kompassrose mit feinerer Teilung aufweisen, werden beispielsweise auf Steuerbrücken bei Schiffen verwandt.
Probleme entstehen bei der Anzeige eines mit wenigstens einem Schrittmotor angetriebenen Anzeigegeräts mit Anzeigeskalen insbesondere bei schnellen Drehungen, die wiederum insbesondere bei schnell fahrenden Schiffen, die innerhalb von wenigen Sekunden Drehrichtungsänderungen vornehmen können, dazu führen, dass stroboskopische Effekte auftreten können, die wiederum bewirken, dass die Skalierung für den Ablesenden verschwimmt und eine eindeutige Kurserkennung nicht möglich ist.
Gerade bei schnellen Drehungen ist jedoch erwünscht, rechtzeitig vor Erreichen des neuen Kurses die Kurserkennung sehr genau durchzuführen, um rechtzeitig ein wenig gegensteuern zu können und bei dem neuen Kurs das Schiff in seiner Drehung „abgefangen" zu haben. Bisherige Anzeigegeräte sind zu sehr auf langsam fahrende Schiffe ausgelegt.
Weiter besteht das Problem, dass durch Step- Verluste bei Schrittmotor-Resonanzen falsche Kursanzeigen entstehen können, die natürlich auf jeden Fall zu vermeiden sind.
Weiter ergeben sich komplexere Anforderungen dadurch, dass üblicherweise zwei Kompassrosen miteinander kombiniert sind, eine, die eine Fein- und eine, die eine Grobteilung enthält.
Erfindungsgemäß wird nun ein Verfahren zum Betreiben eines mit wenigstens einem Schrittmotor angetriebenen Anzeigegeräts angegeben, bei dem die mit Zittereffekten behafteten Stepweiten ausgespart werden und die Schrittmotore jeweils in unproblematischen ohne Zittereffekte erkannten Stepweiten-Bereichen angetrieben werden. Diese Bereiche werden beim Start des Gerätes oder auf Anforderung neu eingemessen, um Temperaturänderungen und Fertigungstoleranzen (heißer Sommertag bis kalte Frostnacht) zu berücksichtigen, die die Resonanz ganz erheblich verschieben können.
Vorteilhafterweise werden zwei Scheiben (Rosen) von zwei Schrittmotoren angetrieben. Der Antrieb erfolgt direkt, ohne Zwischengetriebe. Die Feinrose wird mechanisch in die Grobrose eingebettet, um eine Grob / Fein - Darstellung zu ermöglichen.
Dabei ist jede Rose direkt mit dem Schrittmotor verbunden, wobei die Schrittmotoren so montiert sind, daß die Feinrosenachse durch die Hohlachse der Grobrose führt oder die Grobrosenachse durch die Hohlachse der Feinrose.
Da es Ziel ist, in der Darstellung der Winkelwerte durch die Rosen in der Bewegung keine stroboskopischen Effekte auftreten zu lassen, da sonst die Skalierung verschwimmt und eine eindeutige Kurserkennung nicht möglich ist, wird nun ein Betrieb der Rosen mit nur solchen Stepweiten - z.B. ein sechsmal größerer Step als es die feinste Auflösung zulässt - zugelassen, die keine Resonanzen verursachen. Auch Step - Verluste sind zu vermeiden, die bei Schrittmotorresonanzen bisher häufig die Folge waren, und mit der Zeit Abweichungen von dem gewünschten Anzeigewert ergeben, die natürlich deshalb zu vermeiden sind, weil eine falsche Kursanzeige zu falschen Kursen des Schiffes - jedenfalls kurzfristig fuhren kann - was schwerwiegende Folgen haben kann.
Zur Ermittlung einer geeigneten Kompensation werden drehbewegungsabhängige Ansteuersequenzen vorgeschlagen, die während der Startpositionierung der beiden Rosen „Fein" und „Grob" erstellt werden.
Das vorgeschlagene Verfahren zum Ansteuern eines Schrittmotors für ein mit wenigstens einem Schrittmotor direktangetriebenen Anzeigegerät mit sich drehenden Anzeigeskalen, wird dann zunächst zur Ermittlung der problematischen Bereiche der mit unterschiedlichen Stepweiten betriebenen Schrittmotore ein Meßlauf durchgeführt wird, indem ein Schrittmotor mit einer definierten vorbestimmten Stepweite angesteuert und ein an der Anzeigerose vorgesehener Meßpunkt durch einen Sensor neben der Anzeigerose mit seiner elektrischen Sensorantwort erfaßt wird, die Anzeigerose mit variierenden Stepweiten am Sensor vorbeibewegt wird wobei stets die Sensorantwort des Meßpunktes dabei erfaßt wird, und ein Soll/Ist- Vergleich erfolgt, zur Ermittlung der Stepweiten, bei denen Resonanz herrscht und/oder Schritte ausgelassen werden.
Durch nachfolgendes Betreiben des/der Schrittmotor(s/e) in den so oder ähnlich ermittelten geeigneten Stepweiten wenigstens in problematischen mit Fehlermöglichkeiten behafteten Bereichen bei der Ansteuerung jeweils eines Schrittmotors zum Bewegen der Anzeigeskala, die in Form einer Anpassungsgröße tabellarisch vorliegen, und Betreiben des/der Schrittmotor(s/e) mit geeigneter Stepweitenauflösung in den Bereichen die als zitter- oder fehlerbehaftet identifiziert sind, wird sichergestellt, dass stets eine korrekte 1:1 Beziehung zwischen Anzeige und der physikalischen Größe besteht, die anzuzeigen ist.
Durch den Messlauf werden zudem außer der momentanen Feststellung der kritischen Bereiche auch stets erneut Absolutaussagen über die Stellung der Kompassrosen der Anzeigeskalen gewonnen.
Hauptvorteil jedoch ist, dass einfache Schrittmotore verwandt werden können, die bauartgemäß einen besseren Wirkungsgrad haben, insbesondere weniger Abwärme produzieren. So kann ein um Größenordnungen teurer 5 -Phasen-Motor durch einen 2-Phasen-Motor ersetzt werden. Man kann auf aufwändige Getriebe verzichten und erhält auch bei hoher Auflösung eine genaue und stets unverfälschte, klar erkennbare Anzeige.
Der zur Ermittlung der problematischen Stepgrößenbereiche der mit unterschiedlichen Frequenzen betriebenen Schrittmotoren vorgenommene Messlauf wird je einer der Schrittmotore mit einer definierten vorbestimmten Stepgröße aus einem im Betrieb möglichen Spektrum angesteuert und ein an der Anzeigerose vorgesehenen
- A -
Messpunkt durch einen Sensor neben der Anzeigerose optisch oder induktiv erfasst. Andere Möglichkeiten der Erfassung sind nicht ausgeschlossen.
Die Anzeigerose wird sich also einige Zeit mit variierenden Stepweiten am Sensor vorbeibewegt und die bevorzugt elektrische dabei entstehende Sensorantwort des Messpunktes wird dabei erfasst und tabellarisch protokolliert, woraufhin die Ergebnisse eines Soll/Ist- Vergleichs in der Tabelle zur Kennzeichnung der Stepweiten dienen, bei denen Resonanz herrscht und/oder Schritte ausgelassen werden. Diese werden dann durch einen Anpassungsfaktor belegt, wobei die Korrektur zur Erlangung einer weiteren Stepweite nicht verloren geht, sondern beispielsweise als ein großer Step nachgeholt wird.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnung. Dabei zeigt:
die einzige Figur eine schematische Schnittdarstellung der Vorrichtung mit den beiden Anzeigerosen für die Grob- und Feinanzeige, die übereinander liegen.
Im rechten Bereich ist ein Sensor für einen auf den Scheiben angeordneten Messpunkt dargestellt.
Das erfindungsgemäße Vorgehen zum Betreiben eines mit wenigstens einem Schrittmotor angetriebenen Anzeigegeräts mit Anzeigeskalen, besteht also aus den Schritten Ermitteln geeigneter Stepweiten wenigstens in problematischen mit Fehlermöglichkeiten behafteten Bereichen bei der Ansteuerung jeweils eines Schrittmotors zum Bewegen der Anzeigeskala in einem Meßlauf beim Start des Gerätes oder auf Anforderung, Speichern der ermittelten Stepweiten in Form einer Anpassungsgröße, und Betreiben des/der Schrittmotor(s/e) mit geeigneter Stepweitenauflösung in den Bereichen die als zitter- und somit mit Fehlermöglichkeiten behaftet identifiziert sind.
Zur Ermittlung der problematischen Bereiche wird beim Meßlauf ein Schrittmotor mit einer definierten vorbestimmten Schrittgröße angesteuert und ein an der Anzeigerose vorgesehener Meßpunkt durch einen Sensor neben der Anzeigerose mit seiner Sensorantwort erfaßt, dann die Anzeigerose mit variierenden Frequenzen am Sensor
vorbeibewegt und die Sensorantwort des Meßpunktes dabei erfaßt, so dass ein Soll/Ist- Vergleich erfolgen wird, zur Ermittlung der Frequenzen, bei denen Resonanz herrscht und/oder Schritte ausgelassen werden. Diese werden nach dem Messlauf ausgespart.
Dabei wird bevorzugt ein induktiver Abgriff eines Metallplättchens an der Anzeigerose mit Erfassung der jeweils tatsächlichen Schrittbreiten erfolgen.
hi Fig. 1 ist der resonanz - und stepkompensierte Direktantrieb des Schrittmotor - Systems bestehend aus zwei Schrittmotoren (2 , 3) mit Rosen an den Achsen (2.2, 3.2, 3.3, 2.1 ), einer Ansteuerelektronik ( 1 ) mit MC und Schrittmotortreibern und einem optisch oder induktiven Sensor ( 4, 4.1 , 4.2 ) dargestellt.
Der MC ( 1 ) steuert über die Schrittmotortreiber die Schrittmotoren in Feinstep - Auflösung an ( 2 , 3). Der optisch/induktive Sensor ( 4, 4.1, 4.2 ) erfüllt dabei zwei Aufgaben :
die Messung der Schrittmotorparameter ( Resonanz und Stepgüte) und die Abtastung der Startposition.
Zur Messung der Schrittmotorparameter ( Resonanz - und Stepgüte) wird alsbald nach dem Anlegen der Betriebsspannung der MC die Grob - Rose ( 3.2 ) auf die Sensorposition ( 4, 4.1) steuern, wobei die Stepgröße der Sensorabdeckung gemessen wird (4 , 4.1 ).
Diese Messung ist vor jeder Parameterermittlung erforderlich, da die Sensorabtasttoleranz ( 4 ) stark temperaturabhängig ist. Der MC ( 1 ) fährt jetzt im Wechsel von links und rechts über den Sensor ( 4, 4.1 ) und durchläuft in der Ansteuerung eine Frequenz - und Steprampe. Vom MC wird die Reflexion des Sensors ( 4, 4.1 ) ständig gemessen und mit den eingeprägten Ansteuerwerten des Schrittmotors ( 3 ) verglichen.
Die ermittelten Werte werden in einer Sinus/Cosinus Step-Tabelle abgelegt und dienen als aktuelle Ansteuergrößen für den Betrieb des Grob -Schrittmotors ( 3 ).
Das nämliche Verfahren wird auch für die Parameterermittlung des Feinstepmotors (2) genutzt, der dann auch aus einer nur für diesen Schrittmotor ( 2 ) erstellten Sinus/Cosinus Step-Tabelle angesteuert wird.
Dieses Verfahren sollte zur Kompensation nach jedem Einschalten des Systems durchlaufen werden.
Die Abtastung der Startposition erfolgt nach der Parameterermittlung der einzelnen Schrittmotoren ( 2 , 3), wobei die Rosen auf die Nullpunkte der Grad- Darstellung einlaufen, um dann vom MC ( 1 ) auf den aktuellen Kurswert gesteuert zu werden.
Nach dem Start, oder nach Anforderung, durchläuft das Gerät eine Grob-Feinrosen - Ausrichtung auf 0°. Basis dieser Ansteuerung ist eine sinusgewichtete Schrittmotor - Mikrosteptabelle mit einer Stepauflösung von 0.00703°. Das entspricht =51200 Steps für 360°. In dieser Phase werden bei Drehbewegungen der Kompassrosen bis 30°/sek. die Resonanzbereiche ermittelt und eine Stepkorrektur - Tabelle berechnet und bereits in die Ansteuerung einbezogen.
Die Korrekturtabelle ist also kein Umgehen von Resonanzfrequenzen mittels Frequenzausblendung, sondern eine Stepweitenanpassung an die Eigenschaften der Schrittmotoren und Gerätemechanik.
Die hohe Mikrostepauflösung plus der Korrektur, gestattet eine Stepweitenanpassung zur Vermeidung von optisch kritischen Bildfolgen (Darstellung der Grob/Fein Rosen) unter Beibehaltung der Echtzeit-Darstellung der Drehbewegung des Schiffes.
Ein Beispiel :
A) Ansteuerung ohne Korrektur alter Istwert in Steps = 12000 = 84.36° alter Stepwert +lStep = X 1 , Xi + 1 Step = X 2 , x 2 + 1 Step = X 3 , x 3 + 1 Step = x 4 , x 4 + 1 Step = x 5 ,
X 5 + 1 Step = x 6 , Endwert = 84.402° B.) Ansteuerung mit Korrektur =6,
alter Istwert in Steps = 12000 = 84.36° alter Stepwert +0 Step = X 0 , X 1 + 0 Step = X 0 ,
X 2 + 0 Step = X 0 ,
X 3 + 0 Step = X 0 ,
X 4 + 0 Step = X 0 ,
X 5 + 6 Steps = X 6 ,
Endwert = 84.402°