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Title:
SAFETY SYSTEM FOR A STEPPER-MOTOR DRIVE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1991/008391
Kind Code:
A1
Abstract:
Described is a stepper motor (1a) in which, in order to operate a throttle valve (2), each pole coil is divided into part-coils (13-16), each of which is controlled by an individual output stage (31). This makes it possible to continue to control the motor (1a) following failure of a part-coil or output stage (31).

Inventors:
Binnewies, Ludwig (Am Hohen Sand 43, Lappersdorf, D-8417, DE)
Frinzel, Udo (Hasenheide 8, Oberkotzau, D-8679, DE)
Schreiber, Hans (Hönighausen 1c, Lappersdorf, D-8411, DE)
Zimmer, Herbert (Landshuter Straße 105A, Regensburg, D-8400, DE)
Noichl, Andreas (Dreihausgasse, Wien, A-1150, AT)
Trefalt, Manfred (Esterhazygasse, Wien, A-1160, AT)
Turba, Roman (Oberkirchergasse, Wien, A-1190, AT)
Application Number:
PCT/EP1990/002002
Publication Date:
June 13, 1991
Filing Date:
November 23, 1990
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Wittelsbacherplatz 2, München, D-80333, DE)
Binnewies, Ludwig (Am Hohen Sand 43, Lappersdorf, D-8417, DE)
Frinzel, Udo (Hasenheide 8, Oberkotzau, D-8679, DE)
Schreiber, Hans (Hönighausen 1c, Lappersdorf, D-8411, DE)
Zimmer, Herbert (Landshuter Straße 105A, Regensburg, D-8400, DE)
Noichl, Andreas (Dreihausgasse, Wien, A-1150, AT)
Trefalt, Manfred (Esterhazygasse, Wien, A-1160, AT)
Turba, Roman (Oberkirchergasse, Wien, A-1190, AT)
International Classes:
F02D41/20; F02D11/10; F02D41/22; H02P5/00; H02P8/00; H02P8/14; H02P29/00; (IPC1-7): F02D11/10; F02D41/22
Foreign References:
EP0313659A1
US4548176A
Other References:
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN, Band 11, Nr. 347 (M-641) (2794), 13. November 1987, & JP, A, 62126240 (Toyota), 8. Juni 1987
Attorney, Agent or Firm:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Postfach 22 16 34, München 22, D-8000, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Sicherheitssystem für einen Schrittmotorantrieb, insbesonde¬ re in einem Kraftfahrzeug, mit einem zweiphasigeπ Schrittmotor (1) mit zwei Wicklungen, wobei jede der Wicklungen auf mindestens zwei Polen verteilt ist, mit einer Steuerung (4) und einer Endstufenanordnung (3) zur Einstellung von Strömen durch die Wicklungen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Wicklungen in jeweils mindestens zwei Teilwicklungen unterteilt sind, daß die Endstufenanordnung (3) für jede Teilwicklung (1316) eine eigene Endstufe (31) enthält, daß die Steuerung (4) den Strom durch jede Teilwicklung (1316) in einem Normalbetrieb so einstellt, daß sich ein Normalmoment als Summe von Teilmomenten ergibt, daß eine Überwachungseinrichtung (5) vorgesehen ist, die die Funktion der einzelnen Teilwicklungen (13 bis 16) überwacht und bei Ausfall einer der Teilwicklungen (13 bis 16) ein Notsignal (N) an die Steuerung (4) gibt und daß die Steuerung (4) bei vorhandenem Notsignal (N) den Strom durch die verbleibende Teilwicklung derjenigen Wicklung, die die ausgefallene Teilwicklung umfaßt, in einem Notbe trieb so steuert, daß diese mindestens teilweise deren Funk¬ tion übernimmt.
2. Sicherheitssystem nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß jeweils mindestens zwei auf denselben Polen befindliche Teilwicklungen eine der Wicklungen bilden.
3. Sicherheitssystem nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß jeweils mindestens zwei auf verschiedenen Polen befindliche Teilwicklungen eine der Wicklungen bilden.
4. Sicherheitssystem nach Anspruch 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Teilwicklungen (13 bis 16) jeweils gleich sind.
5. Sicherheitssystem nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Teilwicklungen (13 bis 16) auf jedem Pol gleichsinnig gewickelt sind und nebeneinander liegen.
6. Sicherheitssystem nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Teilwicklungen (13 bis 16) auf jedem Pol gleichsinnig übereinander gewickelt sind.
7. Sicherheitssystem nach Anspruch 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß im Normalbetrieb jeweils nur eine der Teilwicklungen einer Wicklung mit Strom versorgt wird und bei ihrem Ausfall im Not¬ betrieb eine andere Teilwicklung derselben Wicklung deren Funk tion übernimmt.
8. Sicherheitssystem nach Anspruch 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß im Normalbetrieb alle Teilwicklungen einer Wicklung mit Strom versorgt werden und im Notbetrieb die verbleibenden Teil¬ wicklungen mit einem erhöhten Strom versorgt werden, sodaß sie die Wirkung der ausgefallenen Teilwicklung kompensieren.
Description:
Sicherheitssystem für einen Schrittmotorantrieb.

Die Erfindung betrifft ein Sicherheitssystem für einen Schrittmotorantrieb gemäß Oberbegriff von Anspruch 1.

Bei einem sogenannten elektrischen Gaspedal wird die Drossel- klappe von einem Elektromotor, z. B. einem 2 phasigen Schritt¬ motor, verstellt. Dieser arbeitet beim Öffnen der Drosselklappe gegen die Kraft einer Feder. Der Strom durch die einzelnen Wick¬ lungen des Schrittmotors wird über eine Steuerung und eine je¬ weils zugeordnete Endstufe so eingestelllt, daß ein Drehfeld für die Bewegung des Schrittmotors erzeugt wird.

Tritt beim Schrittmotor oder einer der Endstufen oder einer Verbindungsleitung ein elektrischer Fehler auf, so kann das Drehfeld nicht mehr richtig gesteuert werden. Die Steuerung wird dann abgeschaltet und die Feder zieht den nun stromlosen Motor in eine Position, die der Schließstellung der Drossel¬ klappe entspricht.

Bei einem solchen Fehlerfall wird also die Drosselklappe ge- schlössen und ist dann nicht mehr weiter bedienbar. Das Kraft¬ fahrzeug kann damit erst nach Reparatur wieder benutzt werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht demgegenüber darin, einen Schrittmotorantrieb so auszuführen, daß im Fehlerfall die Be- dienbarkeit erhalten bleibt.

Die erfindungsgemäße Lösung ist im Anspruch 1 gekennzeichnet. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.

Auch bei Ausfall nur einer Wicklung eines 2 phasigen Schritt¬ motors ist dessen Betrieb nicht mehr richtig gewährleistet. Man könnte nun daran denken, einen zweiten redundanten Schrittmotor

vorzusehen, der bei Ausfall des ersten Schrittmotors dessen Funktion übernimmt. Eine solche Lösung ist jedoch sehr auf¬ wendig und teuer.

Zudem bedingt die erhöhte Anzahl von Bauelementen (z.B. Lager) eine geringere Zuverlässigkeit, da der Ausfall auch nur eines Lagers die gesamte Anordnung blockieren kann.

Die erfindungsgemäße Lösung wählt daher einen anderen Weg, näm- lieh den Schrittmotor quasi intern in getrennte Teilmotoren aufzuteilen. Dazu wird jede Wicklung des Schrittmotors in zwei oder mehrere Teilwicklungen unterteilt. Jeder der Teilwicklun- geπ ist eine eigene Endstufe zugeordnet.

Bei zwei solchen Teilwicklungen beispielsweise kann dann bei Ausfall einer der Teilwicklungen oder der ihr zugeordneten End¬ stufe die verbleibende Teilwicklung die Funktion mindestens teilweise übernehmen.

Die Teilwicklungen sowie ihre Steuerströme können so dimensio¬ niert sein, daß durch jeweils eine Teilwicklung auf jedem Pol im Normalbetrieb des Motors das nötige Normalmoment aufgebracht wird, also durch die jeweilige zweite Teilwicklung eine echte Redundanz vorliegt.

Die Dimensionierung kann aber auch so sein, daß erst die Summe der resultierenden Teilmomente aller Teilwicklungen dem benötig¬ ten Normalmoment entspricht. In diesem Fall geht zwar bei Aus¬ fall einer der Teilwicklungen ein gewisser Dynamikumfang bei der Steuerbarkeit des Schrittmotors verloren, jedoch die Steuer¬ barkeit an sich bleibt erhalten. Dieser Dynamikverlust kann je¬ doch vermieden werden, wenn der Strom durch die verbleibende intakte Teilwicklung auf einem Pol so erhöht wird, daß dadurch die Wirkung der ausgefallenen Teilwicklung ganz oder teilweise kompensiert wird. Für die Dimensionierung und die Anordnung der einzelnen Teilwickluπgen sind vielerlei Möglichkeiten denkbar.

Die Wicklungszahlen können z.B. gleich oder ungleich sein. Dem¬ entsprechend sind dann auch die zugehörigen Steuerströme gleich bzw. ungleich. Die Teilwicklungen können auf jedem Pol neben¬ einander oder auch übereinander angeordnet sein. Genauso können zwei oder mehrere Teilwicklungen auf verschiedenen Polen eine Wicklung bilden.

Eine Überwachungseinrichtung überwacht jede Teilwicklung auf Ausfall, indem sie beispielsweise prüft, ob durch eine Teil- Wicklung ein Strom fließt, wenn die zugehörige Endstufe von der Steuerung angesteuert wird. Bei einem Ausfall erzeugt sie ein Notsignal und leitet dieses an die Steuerung des Schritt¬ motors weiter. Die Steuerung ändert daraufhin die Höhe des Stroms durch die verbleibende Teilwicklung auf dem Pol mit der ausgefallenen Teilwicklung, so daß deren Wirkung kompensiert wird.

Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen Figur 1 eine schematische Darstellung für ein elektrisches Gas¬ pedal mit einem Schrittmotorantrieb gemäß dem Stand der Technik,

Figur 2 eine schematische Darstellung eines elektrischen Gas¬ pedals mit einem Schrittmotorantrieb gemäß der Er- findung,

Figur 3 eine vektorielle Darstellung der Momente für einen

Normalbetrieb und einen Notbetrieb des Schrittmotor¬ antriebs gemäß Figur 1,

Figur 4 eine vektorielle Darstellung der Momente für den Nor- malbetrieb und den Notbetrieb des Schrittmotorantriebs gemäß Figur 2 und

Figur 5, 6 , 7 je eine Ausführungsform für die Anordnung der Teil¬ wicklungen.

Das in Figur 1 dargestellte elektrische Gaspedal für ein Fahr¬ zeug enthält ein Fahrpedal 6, eine Steuerung 4, eine Endstufen¬ anordnung 3, einen Schrittmotor 1 sowie eine Drosselklappe 2. Die Drosselklappe 2 sitzt direkt auf der Welle des Schrittmo¬ tors 1. Der Schrittmotor 1 ist zweiphasig mit zwei Wicklungen

11, 12 die jeweils von einer eigenen Endstufe 31 der Endstufen¬ anordnung 3 mit Strom versorgt werden.

Der Fahrer bestimmt über die Stellung des Fahrpedals 6 die Win- kelposition der Drosselklappe 2. Diese Stellung wird als elek¬ trisches Signal der Steuerung 4 zugeführt, die demgemäß die End¬ stufenanordnung 3 ansteuert. Über die einzelnen Endstufen 31 werden dann die Ströme durch die Wicklungen 11, 12 so einge¬ stellt, daß sich die gewünschte Winkelposition des Schrittmo- tors 1 und damit der mit ihm verbundenen Drosselklappe 2 ergibt.

In Figur 3 ist ein Beispiel für einen Normalbetrieb aufgetra¬ gen, bei dem die Wicklungen 11 und 12 von ihren jeweiligen Endstufen 31 her gleichmäßig mit Strom versorgt werden. Die resultierenden Teilmomente Mll und M12 der beiden Wicklungen 11, 12 ergeben dabei ein Normalmoment M, nach dessen Richtung sich der drehbare Teil des Schrittmotors ausrichtet.

Es sei nun angenommen, daß beispielsweise die Wicklung 11 aus- fällt. Dies kann entweder durch einen elektrischen Fehler in der Wicklung 11 selbst oder in der sie ansteuernden Endstufe 31 oder in der Zuleitung bedingt sein. Das Moment MF für diesen Fehlerfall ist dann gemäß Figur 3 gleich dem Teilmoment M12. Sobald sich der Schrittmotor gemäß diesem neuen Moment MF aus- gerichtet hat, kann er aus dieser neuen Lage nicht mehr her¬ ausbewegt werden, da über die Wicklung 12 allein das Moment MF nur noch betragsmäßig aber nicht mehr richtungsmäßig geän¬ dert werden kann.

Ein solcher Fehlerfall stellt auch einen sicherheitskritischen Zustand dar. Je nachdem, welche der beiden Wicklungen 11, 12 ausfällt, zieht der Schrittmotor schlagartig die Drosselklappe 2 in Richtung des verbleibenden Moments. Dies kann, wenn das verbleibende Moment kleiner als das Federrückstell oment ist, ein schlagartiges Schließen der Drosselklappe bedeuten und da¬ her je nach Verkehrsituation sehr gefährlich sein.

In Figur 2 ist nun ein elektrisches Gaspedal mit einem Schritt¬ motorantrieb gemäß der Erfindung dargestellt. Gleiche Teile sind dabei mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Wicklung 11 aus Figur 1 ist hier durch zwei Teilwicklungen 13 und 14 er- setzt, die jeweils von einer eigenen Endstufe 31 angesteuert werden. Gleichermaßen ist die Wicklung 12 aus Figur 1 durch die Teilwicklungen 15 und 16 ersetzt.

Drei Ausführungsbeispiele für mögliche Anordnungen der Teilwick- lungen 13-16 auf den Polen des Stators eines Schrittmotors 1 sind in den Figuren 5, 6 und 7 dargestellt. Der Stator 1 weist dabei jeweils acht Pole a-h auf. Aus Gründen der Übersichtlich¬ keit sind dabei jeweils nur die Teilwicklungen 13 und 14 auf den Polen a, c, e und g dargestellt, die die Wicklung 11 aus Figur 1 ersetzen. Die weggelassenen Teilwicklungen 14 und 16 sind analog auf den Polen b, d, f und h angeordnet.

Gemäß Figur 5 sind die einzelnen Polwicklungen der Teilwicklun¬ gen 13 und 14 jeweils auf denselben Polen elektrisch voneiander isoliert angeordnet. Die Verbindungsleitungen zwischen den ein¬ zelnen Polen sind, wie auch in den Figuren 6 und 7, nicht ge¬ zeigt.

Bei dieser Ausführungsform besteht jedoch eine elektromagne- tische Kopplung der beiden Teilwicklungen 13 und 14. Diese

Kopplung führt zu einer gegenseitigen Beeinflussung der jeweils zugeordneten Endstufen 31, da beide Teilwicklungen 13, 14 vom gleichen Magnetfluß durchsetzt werden. Kleine Streuflüsse sind dabei nicht berücksichtigt.

Gemäß einer zweiten Ausführungsform nach Figur 6 ist daher die Teilwicklung 13 auf die Pole a und e verteilt und die Teilwick¬ lung 14 auf die Pole c und g. Diese räumliche Trennung bewirkt eine Reduzierung der gegenseitigen Beeinflussung.

Eine bevorzugte Ausführungsform gemäß Figur 7 bewirkt schlie߬ lich eine fast gänzliche Reduzierung der gegenseitigen Beein¬ flussung. Die Teilwicklung 13 befindet sich dabei auf den Polen

a und c und die Teilwicklung 14 auf den Polen e und g. Dadurch wird die rechte, obere Hälfte des Schrittmotors 1 von der Teil¬ wicklung 13 und die linke, untere Hälfte von der Teilwicklung 14 magnetisch in Anspruch genommen. Die Teilwicklungeπ 13 und 14 sind also magnetisch weitgehend entkoppelt.

Die Teilwicklungen 13 und 14 haben die gleiche Windungszahl und den gleichen Wicklungssinn. Gleiches gilt wiederum für die Teil¬ wicklungen 15 und 16. Jede der Teilwicklungen 13 bis 16 sowie ihre Steuerströme sind so bemessen, daß sie jeweils 50% des Teilmoments einer der Wicklungen 11, 12 aus Figur 1 ergeben.

Dadurch ergibt sich, wie Figur 4 zeigt, im Normalbetrieb das gleiche Normalmoment M wie in Figur 3.

Für den Fehlerfall sei diesmal angenommen, daß die Teilwicklung 14 ausfällt. Gemäß Figur 4 resultiert dann durch den Wegfall des Teilmomentes M14 das neue Moment MF für diesen Fehlerfall. Die Steuerbarkeit des Schrittmotors la bleibt also bestehen, da durch die verbleibende Teilwicklung 13 weiter eine richtungsmä¬ ßige Änderung des Moments MF möglich ist. Lediglich der Dyna¬ mikumfang ist durch den Wegfall des Teilmoments M 14 einge¬ schränkt.

Ein sicherheitskritisches Verhalten wie beim Stand der Technik tritt also bei einem Schrittmotorantrieb gemäß der Erfindung nicht auf. Zum einen tritt im Fehlerfall immer nur eine be¬ stimmte Betragsänderung der Winkelstellung der Drosselklappe 2 ein und niemals ein ruckartiges Schließen. Zum anderen kann der Fahrer auf diese betragsmäßige Änderung der Winkelstellung der Drosselklappe 2 reagieren, da sie über das Fahrpedal 6 weiter steuerbar bleibt.

Eine Überwachungseinrichtung 5 ist an die Endstufenanordnung 3 und die Steuerung 4 angeschlossen. Von der Endstufenaπordnung 3 erhält sie darüber eine Information über die Stromflüsse in den Zuleitungen zwischen den Endstufen 31 und den zugehörigen Teil¬ wicklungen 13 bis 16. Von der Steuerung 4 erhält sie die Infor-

mation über die Steuersignale, die die Steuerung 4 an alle einzelnen Endstufen 31 ausgibt.

Die Überwachungseinrichtung 5 prüft, ob die jeweiligen Steuer- Signale für die Endstufen 31 einen entsprechenden Stromfluß durch eine der Teilwicklungen 13 bis 16 bewirken. Ist dies bei einer der Teilwicklungen 13 bis 16 nicht der Fall, so liegt ein Fehler entweder bei der zugehörigen Endstufe 31, der Teil¬ wicklung 13 bis 16 oder der Zuleitung vor.

Die Überwachungseinrichtung 5 erzeugt in diesem Fehlerfall ein Notsignal N und gibt dieses an die Steuerung 4 weiter. Dieses Notsignal N beinhaltet die Information, welche der Teilwick¬ lungen 13 bis 16 betroffen ist.

Die Steuerung 4 führt daraufhin einen Notbetrieb durch. Im obengenannten Fehlerfall beispielsweise - Teilwicklung 14 defekt - veranlaßt sie die der Teilwicklung 13 zugeordnete Endstufe 31 die Teilwicklung 13 mit einem doppelt so hohen Strom zu versorgen wie im Normalbetrieb. Durch das solcher¬ maßen verdoppelte Teilmoment M13 wird die Wirkung der ausge¬ fallenen Teilwicklung 14 kompensiert.

Die Funktionen der Steuerung 4, sowie der Überwachuπgseiπ- richtung 5 übernimmt ein Rechner mit entsprechender Ein- und Ausgangsbeschaltung. Die Abfrage der einzelnen Teilwicklungs¬ ströme zu den Teilwicklungen 13 bis 16 erfolgt über jeweils eine Strommessung auf der entsprechenden Zuleitung.