Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines Schrittmotors mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentan- spruchs 1.

Eine beliebte Gattung von Elektromotoren sind Schrittmotoren. Bei einem Schrittmotor wird die Bestromung von Statorspulen durch eine Steuerelektronik so gesteuert, dass ein elektromag- netisches Feld schrittweise rotiert, dem der Rotor nachfolgt.

Motortreiberendstufen, welche auf dem Prinzip der festen Ausschaltzeit zur Strombegrenzung basieren, bei dem die Motortreiberstufe der Steuerelektronik nach Anlegen der Steuersig- nale den Strom durch die Windungen der jeweils angesteuerten Spule zunächst auf einen eingestellten Sollwert steigert, er ^¬ lauben es, die durch feste Ausschalt zeiten strombegrenzten Signale auszuwerten. Die Zeit vom Beginn der Bestromung bis zum erstmaligen Erreichen des Strom-Sollwertes wird als „Stromanstiegszeit" bezeichnet. Der Vollständigkeit halber wird an dieser Stelle angemerkt, dass mehrere Spulen, die an unterschiedlichen Stellen des Motors angeordnet sind und ge ^¬ meinsam angesteuert werden, in dieser Patentschrift als eine Statorspule bezeichnet werden.

Nachdem der Sollwert erreicht ist, wird der von der Steuerelektronik, genauer gesagt deren Motortreiberstufe, bereitge ^¬ stellte Stromfluss durch die Windungen wiederholt für eine konstante Zeitspanne abgeschaltet und anschließend wieder ein- geschaltet, bis der Strom-Sollwert wieder erreicht ist. Wäh ^¬ rend der Stromfluss durch die Windungen abgeschaltet ist, wird der Strom über Freilaufdioden abgeleitet. Dieses Vorgehen, bei dem somit mehrfach ein Zyklus aus Unterbrechungen des Stromflusses und anschließendem Steigern des Stroms auf den Sollwert durchlaufen wird, wird als „Choppern" bezeichnet. Die Zeit, welche benötigt wird, um den Strom wie- der auf den Sollwert steigen zu lassen, nachdem er gemäß der Strombegrenzung aufgrund der festen Ausschalt zeit absank, wird auch als „Chopperimpuls" bezeichnet; m.a.W. unter der Breite eines Chopperimpulses versteht man seine zeitliche Dauer.

Wesentlich für die ordnungsgemäße Funktionsweise eines

Schrittmotors ist dabei, dass das elektromagnetische Feld nicht schon zu einem Zeitpunkt durch Bestromung der nächsten Statorspulen weiterrotiert wird, zu dem der Rotor seine letzte Sollposition noch nicht erreicht hatte. Ist dies der Fall, beispielsweise weil der Motor eine unerwartet hohe Last zu be ^¬ wegen hat, kommt es zumindest zu einem Schrittverlust, wenn nicht gar zur Blockierung des Motors. Es ist jedoch auch von Nachteil, das elektromagnetische Feld erst deutlich nach über ^¬ schreiten der maximalen Feldüberdeckung weiterzuschalten, da dies einerseits zu Ineffizienz führt und andererseits die Ge ^¬ fahr des Oszillierens birgt.

Aus dem Stand der Technik sind eine Reihe unterschiedlicher Vorgehensweisen zur Motorsteuerung bekannt, um dieses Problem so gut wie möglich zu vermeiden. Die wohl einfachste Art der Ansteuerung ist die Verwendung einer starren Schrittfrequenz mit festgelegten Schritt zeiten . Um bei einer derartigen AnSteuerung eine Blockade zu vermeiden, muss sichergestellt sein, dass der Rotor bei der höchsten denkbaren Last vor dem Initiieren des nächsten Schritts durch die Steuerelektronik seine Zielposition erreicht hat. Gleichzeitig führt dies aber dazu, dass ein mit geringerer Last belasteter Rotor nur mit einer geringeren Schrittfrequenz betrieben werden kann, als es eigentlich möglich wäre, so dass das zur Verfügung stehende Drehmoment nicht optimal genutzt wird, was einen geringen Wir ^¬ kungsgrad des Antriebs mit sich bringt. Das Erzielen besserer Wirkungsgrade setzt voraus, dass ein die Ausführung eines Motorschrittes signalisierendes Signal zur Steuerelektronik zurückgekoppelt wird. Eine Möglichkeit dazu besteht darin, einen Encoder vorzusehen, der auf den Schrittwinkel des Motors synchronisiert ist. Dies kann zwar den Wir- kungsgrad optimieren, ist aber eine teure Lösung, welche noch zudem zusätzlichen Platzbedarf mit sich bringt.

Eine alternative Möglichkeit, die einschließlich schaltungs ^¬ technischer Realisationsmöglichkeiten beispielsweise in der DE 41 21 617 AI und der DE 196 09 803 Cl offenbart ist, be ^¬ steht darin, den zeitlichen Verlauf der Ströme während des Chopperbetriebs zu analysieren, um Rückschlüsse darüber zu er ^¬ halten, ob ein Schritt durch den Motor ausgeführt wurde: Die Anstiegsgeschwindigkeit des Stroms in den Windungen ist abhän- gig von der angelegten Spannung, dem Widerstand und der Induktivität der Spule. Die Induktivität einer gegebenen Statorspu ^¬ le ist aber ihrerseits abhängig von der relativen Position von Rotor und Statorspule zueinander, welche dann am höchsten ist, wenn maximale Stator-Rotor-Überdeckung gegeben ist, d.h. wenn Stator und Rotor direkt voreinander positioniert sind. Im Er ^¬ gebnis wird somit bei der Drehung des Rotors die Induktivität der Statorspule moduliert. Diese Modulation der Induktivität führt dazu, dass, nachdem der Rotor über die Position, in der er der betrachteten Statorspule am nächsten ist, hinweggelau- fen ist, die Breite der Chopperimpulse sich spürbar verrin ^¬ gert . Demzufolge kann man, wie detaillierter in der DE 41 21 617 AI und der DE 196 09 803 Cl offenbart ist, eine Referenz- Pulsbreite für die Chopperimpulse definieren, die Breite der Chopperimpulse überwachen und das erstmalige Unterschreiten der Referenz-Pulsbreite durch die Chopperimpulse als Indikator dafür verwenden, dass die Rotordrehung erfolgt ist und somit der nächsten Schritt durch Bestromung der nächsten Statorspule eingeleitet werden kann. Diese Vorgehensweise ist auch unter dem Begriff „Chopper-Control" bekannt.

In der Praxis zeigt sich jedoch, dass diese Art der Rückkopp ^¬ lung zwar den Wirkungsgrad des Antriebs verbessert, aber noch Raum für Verbesserung lässt. Als problematisch erweist sich nämlich, dass Schrittmotoren, insbesondere Schrittmotoren kom- pakter Bauart mit hoher Leistungsdichte, wegen des hohen In ^¬ nenwiderstands der Wicklungen ihrer Statorspulen während des Betriebs heiß werden. Diese Temperaturerhöhung bringt ihrerseits eine Erhöhung des Innenwiderstands mit sich. Konkret er ^¬ höht sich der Widerstand der Wicklungen einer Spule aus Kupfer z.B. bei einer Temperaturerhöhung von 60°C um etwa 23%. Der höhere Widerstand der Windungen führt bei konstanter Spannung zu einer Erhöhung der Breite der Chopperimpulse.

Dies bedeutet, dass eine Wahl der Referenz-Pulsbreite, die z.B. für eine Motortemperatur von 20° sicherstellt, dass zur nächsten anzusteuernden Statorspule zu einem nahezu optimalen Zeitpunkt erfolgt, so dass bei dieser Temperatur ein hoher Wirkungsgrad des Antriebs erzielbar ist, bei einer Motortempe ^¬ ratur von 80°C erst bei einem späteren Chopper-Puls unter- schritten wird, so dass bei dieser Motortemperatur der Wirkungsgrad des Antriebs deutlich schlechter ist und der Motor mit einer geringeren Schrittfrequenz als eigentlich möglich betrieben wird. Umgekehrt ist aber die Verwendung einer gerin- geren Referenz-Pulsbreite bei geringerer Motortemperatur, wie sie beispielsweise bei der erstmaligen Inbetriebnahme des Mo ^¬ tors nach einer Pause herrschen würde, nicht möglich. Aus der DE 10 2006 021 418 AI ist ein Verfahren bekannt, bei dem aus der Überwachung der Stromanstiegszeit im Einschaltmo ^¬ ment und einer Spannungsmessung auf eine mögliche Blockierung eines Motors geschlossen wird.

Aus der US 2012/0014732 AI ist es bekannt, durch Ermittlung der Stromanstiegszeit im Einschalt Zeitpunkt Rückschlüsse auf die aktuelle Motortemperatur zu ziehen, um durch Reduktion des Strom-Sollwertes bei zu hoher Motortemperatur eine Überhitzung des Motors zu vermeiden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zur Ansteuerung eines Schrittmotors bereitzustellen, mit dem der Schrittmotor mit einem höheren Wirkungsgrad, insbesondere mit höherer Schrittfrequenz, betrieben werden kann. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ansteuerung eines Schrittmotors werden die Statorspulen des Schrittmotors durch eine Steuerelektronik sequentiell derart bestromt, dass ein rotierendes elektromagnetisches Feld entsteht. Dabei wird bei der Bestromung einer gegebenen Statorspule der Strom durch deren Windungen durch die Steuerelektronik zunächst auf einen definierten Strom-Sollwert gesteigert und danach, nachdem der Sollwert erreicht ist, der Strom gechoppert, indem der von der Steuerelektronik bereitgestellte Stromfluss durch die Windun ^¬ gen wiederholt für eine konstante Zeitspanne abgeschaltet und anschließend ein Chopper-Impuls erfolgt, während dessen der von der Steuerelektronik bereitgestellte Stromfluss wieder eingeschaltet wird, bis der Strom-Sollwert wieder erreicht ist .

Dabei vergleicht, wie allgemein aus Chopper-Control-Verfahren bekannt ist, die Steuerelektronik die Breite jedes Chopper- Impulses, die durch die Zeitdauer definiert ist, die benötigt wird, um nach dem Wiedereinschalten des Stromflusses nach den Strom-Sollwert wieder zu erreichen, mit einer vorgebbaren Referenz-Zeitdauer und beginnt mit der Bestromung der als nächstes zu bestromenden Statorspule, sobald die Breite des Chop- per-Impulses erstmals die Referenz-Zeitdauer unterschreitet. Erfindungswesentlich ist, dass die Referenz-Zeitdauer während der Ansteuerung des Schrittmotors an die aktuellen Arbeitsbe ^¬ dingungen des Schrittmotors angepasst wird. Durch diese Maß ^¬ nahme wird bewirkt, dass der Schrittmotor stets nahe an seinem optimalen Arbeitspunkt betrieben wird, so dass ein verbesser- ter Wirkungsgrad erzielt wird.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung basiert die Anpassung der Referenz-Zeitdauer während der Ansteuerung des Schrittmotors an die Arbeitsbedingungen des Schrittmotors auf einer Messung der Referenzpulsbreite über mehrere Zyklen von Stromanstiegszeiten im Chopperbetrieb bei ruhendem bestromten Schrittmotor, der sogenannten Vorbestromungsphase. Die Vorbestromungsphase hat den Hintergrund, den Motor in einen definierten Ausgangszustand hinsichtlich der Stator-Rotor-Überdeckung zu versetzen, da im nicht bestromten Zustand die Möglichkeit besteht, dass sich der rotor zwischen zwei Polen befindet. Dies wiederum könnte zu einem ungünstigen Anlaufverhalten führen, weshalb vor dem Anlauf die Motorwick- lungen entsprechend vorbestromt werden. Das hier vorgeschlage ^¬ ne Verfahren hat gegenüber dem in US20120014732A1 beschrieben Verfahren, bei welchem lediglich während eines Zyklus der Stromanstiegszeit zwischen dem ersten Einprägen des Stroms bis zum ersten Maximum ausgewertet wird, den Vorteil, dass bei der Bewegung auftretende Störeffekte zuverlässig vermieden werden und dass durch Messung mehrerer dieser ZeitIntervalle ein Messwert mit kleinerem statistischen Messfehler erhalten wird. Als besonders geeignete Art, die Messungen der aktuellen Brei ^¬ te der Chopper-Impulse bei ruhendem bestromten Schrittmotor zur Anpassung der Referenz-Zeitdauer während der Ansteuerung des Schrittmotors zu verwenden, hat sich erwiesen, die gemes ^¬ sene Breite der Chopper-Impulse bei ruhendem bestromten

Schrittmotor über eine Look-Up-Tabelle mit einer entsprechenden Breite der Chopper-Impulse bei drehendem bestromten

Schrittmotor zu korrelieren und den in der Look-Up-Tabelle enthaltenen, korrelierten Wert als aktuelle Referenz-Zeitdauer zu verwenden.

In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausgestaltung wird die Look-Up-Tabelle erstellt, indem für ein Ex ^¬ emplar eines gegebenen Schrittmotortyps jeweils die Breite der Chopper-Impulse bei ruhendem bestromten Schrittmotor und die entsprechende Breite der Chopper-Impulse bei drehendem

bestromten Schrittmotor für unterschiedliche Kombinationen aus Widerstand (entsprechend einer Temperaturänderung) , Induktivität, Spannung und Strom ermittelt wird und in der Look-Up- Tabelle hinterlegt wird. Dabei stehen für jeweils eine Kombi- nation die Werte für Widerstand, Induktivität, Spannung und Strom in physikalisch möglicher Beziehung. Da sowohl Widerstand und Induktivität, durch ihre spezifischen Eigenschaften, wie bspw. Temperaturabhängigkeit, als auch die Spannung, bspw. durch die instabile Quelle, Änderungen bzgl. des Stroms und der Stromanstiegszeit hervorrufen können, es aber für die Betrachtung der Anstiegszeit unerheblich ist, welcher Parameter die Änderung hervorruft, ist es sinnvoll aus einem ermittelten Zeitwert in der Vorbestromungsphase auf einen Zeitwert für den kommutierten / drehenden bestromten Schrittmotor zu schließen. Die Verwendung derartig ermittelter Tabellen bietet die Möglichkeit sowohl statischen Widerstandsänderungen, welche bspw. durch Toleranzen von Fertigungschargen, unterschiedlichen Lei- tungslängen oder allgemein unterschiedlicher Anschlusskabel und Kontaktierungen hervorgerufen werden können, als auch dynamischen Widerstandsänderungen bspw. durch Temperaturänderung hervorgerufen, zu kompensieren. Ergänzend wird darauf hingewiesen, dass mit Hilfe einer sol ^¬ chen Tabelle auch eine Temperaturmessung der Betriebstemperatur des Motors möglich ist, da Strom und Spannung einfach gemessen werden können, daraus der aktuelle Spulenwiderstand be ^¬ rechnet werden kann und dann die Motortemperatur aus der be- kannten Temperaturabhängigkeit des Spulenwiderstands ermittel ^¬ bar ist.

Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Mes ^¬ sung der aktuellen Breite der Chopper-Impulse im eingeschwun- genen Zustand des Schrittmotors erfolgt, also dann, wenn min ^¬ destens ein Rotor- und Statorpol optimal zueinander stehen, sich also überdecken, da in diesem Zustand sicher gestellt ist, dass der störende Einfluss einer Undefinierten Rotorposi ^¬ tion vermieden wird, welcher aus einer induzierten Gegenspan- nung aufgrund der elektromotorischen Kraft (EMK) des Motors herbeigeführt würde. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Messung der Breite der Chopper-Impulse bei ruhendem bestromten Schrittmotor in einer Vorbestromungsphase erfolgt, da dadurch ein zusätzlicher Zeit ^¬ bedarf zu einem Zeitpunkt, zu dem die Drehung des Motors er ^¬ folgen soll, konsequent vermieden wird.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: Einen gemessenen zeitlichen Verlauf des Phasenstroms in einer Statorspule bei drehendem Schrittmotor;

Fig. 2: einen gemessenen zeitlichen Verlauf des Phasenstroms in einer Statorspule bei stehendem Schrittmotor und maximaler Rotor-Stator-Überdeckung;

Fig. 3: einen gemessenen zeitlichen Verlauf des Phasenstroms in einer Statorspule bei stehendem Schrittmotor, wenn vor dem Einprägen des Stroms keine maximale Rotor-Stator- Überdeckung gegeben ist; und

Fig. 4: einen vergrößerten Ausschnitt des Signals aus Figur 1 während des Chopperns und das zugehörige Choppersignal .

Fig. 1 zeigt in Abhängigkeit von der Zeit t einen gemessenen Verlauf des Phasenstroms I(t) in einer Statorspule bei drehen ^¬ dem Schrittmotor. Zum Zeitpunkt t(Io) werden die Steuersignale der Steuerelektronik gesetzt. Die Bestromung der Statorspule beginnt und wird so lange fortgesetzt, bis die vorgegebene ma ^¬ ximale Stromstärke I _max zum Zeitpunkt t ( I _max i ) erreicht ist. Dabei folgt der Phasenstrom wegen der Induktivität der Wicklungen der Statorspule nicht instantan nach, sondern steigt langsam an. Dies ist die Zeitdauer, die gemäß der Lehre der DE 10 2006 021418 AI bzw. der US 2012/0014732 AI analysiert wird.

Anschließend wird die Stromzufuhr gechoppert betrieben, wie besonders gut in der vergrößerten Darstellung der Figur 4 zu erkennen ist. Die untere der beiden in Figur 4 dargestellten Kurven repräsentiert das Choppersignal , das in Abhängigkeit von der Zeit zwischen den Zuständen "high", entsprechend eingeschaltetem Stromfluss der Steuerelektronik und "low", ent- sprechend ausgeschaltetem Stromfluss der Steuerelektronik hin- und hergeschaltet wird. Wie an dieser Kurve zu erkennen ist, wird immer dann, wenn I _max erreicht ist, das Choppersignal für eine feste Zeitspanne in den Zustand "low" überführt. Wäh ^¬ rend dieser Zeitspanne sinkt der Phasenstrom I(t) ab, wobei das Ausmaß des Absinkens von der Induktivität der Statorspule abhängt und, da sich nach Anlegen der Steuersignale an die be ^¬ trachtete Statorspule der Rotor auf diese zu bewegt, mit der Zeit immer geringer wird. Als Konsequenz werden die Zeiträume, in denen das Choppersignal im Zustand "high" ist, immer kürzer, bis schließlich die Referenz-Zeitdauer unterschritten und die Bestromung der nächsten Statorspule aktiviert wird. In Figur 1 und 4 ist ferner jeweils die Zeitdauer, deren Analyse zur erfindungsgemäßen Aktualisierung der Referenz- Zeitdauer verwendet wird, exemplarisch durch die Startzeit t ( I chopper n ) und die Endzeit t ( I _ma x n+l ) markiert . Wie man der Darstellung des gemessenen zeitlichen Verlauf des Phasenstroms in einer Statorspule bei stehendem Schrittmotor und maximaler Rotor-Stator-Überdeckung gemäß Figur 2 entnimmt, ist in dieser Situation die Breite der Chopperpulse im Wesent- liehen konstant, da sich die Induktivität der Statorspule nicht mehr ändert. Dies gilt allerdings nur so lange, wie die Arbeitsbedingungen und insbesondere die Temperatur der Windungen der Statorspule konstant bleibt; ändern sich diese, än- dert sich der Widerstand der Statorspule und somit auch der Stromfluss. Ferner erkennt man im Vergleich zur Situation bei drehendem Motor, die in Figur 1 dargestellt ist, dass insge ^¬ samt die Anstiegszeiten, bis der Strom I _max erreicht ist, jeweils kürzer sind.

Grundsätzlich ist es daher möglich, die Breite der Chopperpul- se auch im Ruhezustand des Schrittmotors, beispielsweise wäh ^¬ rend einer Vorbestromungsphases , zu ermitteln, wodurch auch eine wiederholte Messung und Mittelung der Ergebnisse ermög- licht wird. Allerdings muss in diesem Fall die Korrelation zwischen den Breiten der Chopperpulse bei ruhendem und drehendem Schrittmotor bei gegebenen Randbedingungen wie Widerstand (entsprechend der Temperatur) , Induktivität, Spannung und Stromstärke gefunden und tabelliert werden.

Anhand der Figur 3, welche einen gemessenen zeitlichen Verlauf des Phasenstroms in einer Statorspule bei stehendem Schrittmo ^¬ tor, wenn vor dem Einprägen des Stroms keine maximale Rotor- Stator-Überdeckung gegeben ist, in anderem Zeitmaßstab zeigt, wird deutlich, warum es vorteilhaft ist, die Messung in einge ^¬ schwungenem Zustand des Schrittmotors auszuführen. Im Bereich links von der Ordinatenachse erkennt man einen den durch das Choppern hervorgerufenen, Änderungen des Stroms überlagernden, welligen Verlauf der Einhüllenden der Kurve I(t), der durch das Einschwingverhalten des Rotors und dabei auftretende EMK bedingt wird. Dementsprechend sind Messungen in diesem Zustand mit einem höheren Fehler behaftet und weniger zuverlässig.