DE10047508C1

DE10047508C1 - Verfahren zum Ermitteln der Drehzahl eines Wechselstrom-Motors sowie Motor-Steuersystem

Info

Publication number: DE10047508C1
Application number: DE10047508A
Authority: DE
Inventors: Andras Lelkes; Jens Krotsch
Original assignee: Ebm Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Priority date: 2000-09-26
Filing date: 2000-09-26
Publication date: 2002-03-07
Anticipated expiration: 2020-09-27
Also published as: EP1191676A3; EP1191676B1; EP1191676A2; ATE287589T1; DE50105110D1

Abstract

Die Erfindung betrifft einerseits ein Verfahren zum Ermitteln der Ist-Drehzahl eines phasenanschnittgesteuerten Wechselstrom-Motors (1) sowie andererseits ein Steuersystem für den Wechselstrom-Motor (1), der insbesondere als Kondensatormotor mit einer Arbeitswicklung (AW) und einer in Reihe mit einem Betriebskondensator (C) liegenden Hilfswicklung (HW) ausgebildet ist. Über mindestens einen von einer Steuereinheit (6) steuerbaren statischen Schalter (2) ist der Motor (1) zur Änderung seiner Drehzahl periodisch über einen bestimmten Phasenschnittwinkel hinweg von einer Versorgungsspannung (U¶N¶) abschaltbar, wobei eine Einrichtung zum Ermitteln der jeweiligen Ist-Drehzahl des Motors (1) vorgesehen ist. Diese Einrichtung zum Ermitteln der Ist-Drehzahl besteht sensorlos aus Mitteln zur Überwachung eines Wicklungsstromes (i¶AW¶ oder i¶HW¶) des Motors (1) und zum Erfassen der Steigung von im jeweils von der Versorgungsspannung (U¶N¶) abgetrennten Zustand des Motors (1) auftretenden, quasi-linear verlaufenden Abschnitten des Wicklungsstromes (i¶AW¶ oder i¶HW¶) sowie aus Mitteln zum Bestimmen der Ist-Drehzahl anhand der jeweils erfaßten Steigung des Wicklungsstromes. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die jeweilige Steigung des Wicklungsstromes ein Maß für die Drehzahl ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Ermitteln der jeweiligen Ist-Drehzahl eines phasenanschnittgesteuerten Wechselstrom-Motors, insbesondere Kondensatormotors, wobei der Motor zur Änderung seiner Drehzahl jeweils periodisch über einen bestimmten Phasenanschnittwinkel hinweg von einer Versorgungsspannung abschaltbar ist.

Ferner betrifft die Erfindung auch ein Steuersystem für einen Wechselstrom-Motor, insbesondere für einen Kondensatormotor mit einer Arbeitswicklung und einer in Reihe mit einem Betriebskondensator liegenden Hilfswicklung, wobei über mindestens einen von einer Steuereinheit steuerbaren statischen Schalter der Motor zur Änderung seiner Drehzahl periodisch über einen bestimmten Phasenanschnittwinkel hinweg von einer Versorgungsspannung abschaltbar ist, und wobei eine Einrichtung zum Ermitteln der jeweiligen Ist-Drehzahl des Motors - insbesondere unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens - vorgesehen ist.

Die DE 198 43 133 A1 beschreibt ein entsprechendes Verfahren zum Messen der Drehzahl einer Induktionsmaschine, deren Stator über einen steuerbaren Wechselstromsteller an ein ein- oder mehrphasiges Wechselspannungsnetz angeschlossen ist. Dabei wird der Stator für zumindest einen vorgegebenen Zeitabschnitt durch Öffnen von Ventilen des Wechselstromstellers vom Wechsspannungsnetz getrennt. In diesem Zeitabschnitt wird zumindest eine im Stator durch die Drehbewegung des Läufers induzierte Statorspannung gemessen. Aus den so gewonnenen Meßwerten wird die Frequenz dieser Statorspannung ermittelt und daraus die Drehzahl der Induktionsmaschine abgeleitet.

Wechselstrom-Motoren, wie Kondensatormotoren, werden häufig von einer Phasenanschnittsteuerung angesteuert, wobei durch Änderung des Phasenanschnittwinkels die effektive Motorspannung und dadurch die Drehmoment- Drehzahl-Kennlinie des Motors verändert werden kann. Ist der Motor belastet, so kann dadurch die Drehzahl variiert werden.

Bei vielen Anwendung ist es erwünscht, die tatsächliche Drehzahl, d. h. die jeweilige Ist-Drehzahl des Motors zu erfassen, und zwar z. B. zum Überwachen des Motors und/oder zum Zwecke einer Drehzahlregelung, wozu einem Regler stets die Ist- Drehzahl rückgeführt werden muß.

Derzeit erfolgt die Drehzahlmessung in den meisten Fällen und vor allem aus Kostengründen unter Verwendung separater Sensoren, beispielsweise durch optische Signalgeber (Encoder), sog. Resolver oder magnetische Sensoren (insbesondere Hall- Sensoren). Insbesondere bei Anwendungen, bei denen die qualitativen Anforderungen an die Drehzahlerfassung (absolute Genauigkeit, Dynamik usw.) nicht sehr groß sind, möglichst geringe Kosten aber eine sehr wichtige Rolle spielen (z. B. bei Lüfteranwendungen), wird die Drehzahl oft mit einem recht preiswerten Hall-Sensor gemessen. Dazu muß im Rotor ein kleiner Magnet angebracht werden, dessen magnetisches Feld bei Rotation vom Sensor erfaßt wird.

Für frequenzumrichtergespeiste, hochdynamische Antriebsanwendungen, insbesondere für Drehstrom-Motoren, wurden auch sensorlose Methoden zur Drehzahlerfassung entwickelt, die allerdings recht aufwendig sind. Diese Methoden beruhen entweder auf einem Flußmodell oder dem "Beobachterprinzip" oder sie nutzten rotorlageabhängige Sättigungseffekte oder künstliche Intelligenz, z. B. sog. neuronale Netze. Diese Methoden müßten aber auf die speziellen Eigenschaften insbesondere von Kondensatormotoren angepaßt werden, könnten aber auch dann für die meisten Anwendungen, wobei eine Phasenanschnittsteuerung für die Drehzahlstellung benutzt wird, aus Kostengründen nicht in Frage kommen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und kosten günstige Möglichkeit zur sensorlosen Drehzahlermittlung speziell für phasenanschnitt gesteuerte Wechselstrom-Motoren, insbesondere Kondensatormotoren, zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird dies zunächst durch ein Verfahren nach dem Anspruch 1 erreicht, indem jeweils innerhalb einer Zeitphase, in der der Motor von der Versorgungsspannung getrennt ist, die Steigung eines in dieser Phase quasi-linear verlaufenden Wicklungsstromes gemessen und daraus die Ist-Drehzahl bestimmt wird.

Das erfindungsgemäße Steuersystem nach dem Anspruch 9 ist demnach dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum sensorlosen Ermitteln der Ist-Drehzahl aus Mitteln zu Überwachung eines Wicklungsstromes des Motors und zum Erfassen der Steigung von im jeweils von der Versorgungsspannung abgetrennten Zustand des Motors auftretenden, quasi-linear verlaufenden Abschnitten des Wicklungsstromes sowie aus Mitteln zum Bestimmen der Ist-Drehzahl anhand der jeweils erfaßten Steigung des Wicklungsstromes besteht.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die zeitliche Änderung des Wicklungsstromes in den Zeiten, in denen der Motor jeweils über den statischen Schalter der Phasenanschnittsteuerung von der Versorgungsspannung getrennt ist, wegen des induktiven Wicklungsverhaltens mit guter Annäherung linear, d. h. "quasi- linear" ist, und dass dabei die Steigung dieses Stromverlaufs in diesen Phasen hauptsächlich drehzahlabhängig ist. Erfindungsgemäß wird dieser Effekt zur Drehzahlerfassung eines solchen Motors benutzt.

Speziell bei einem Kondensatormotor, der eine Arbeitswicklung und eine dazu parallel und in Reihe mit einem Betriebskondensator geschaltete Hilfswicklung aufweist, kann wahlweise der Strom durch die Arbeitswicklung oder auch der Strom durch die Hilfswicklung zur Drehzahlerfassung überwacht und ausgewertet werden. Dies liegt daran, dass in den jeweils durch die Phasenanschnittsteuerung von der Versorgungsspannung getrennten Zeitphasen von der Versorgungsspannungsquelle her kein Speisestrom fließt, so dass die Summe der Wicklungsströme gleich Null ist. Deshalb ändert sich der Strom in der Hilfswicklung genau so quasi-linear wie in der Arbeitswicklung, nur mit entgegengesetzter Steigung. Erfindungsgemäß kann somit der Strom in der Arbeitswicklung oder alternativ in der Hilfswicklung für die Drehzahlerfassung genutzt werden. In den Zeitphasen, in denen der statische Schalter den Motor von der Versorgungsspannung (insbesondere der Netzspannung) trennt, wird die Steigung des Wicklungsstroms gemessen und aus diesem Wert die Motordrehzahl bestimmt.

Bedingung für die erfindungsgemäße Drehzahlerfassung ist somit ein minimaler Anschnittwinkel. Arbeitet der Motor mit maximaler Aussteuerung (Anschnittwinkel = 0°), so könnte die Drehzahl nicht erfaßt werden. Erfindungsgemäß wird dies jedoch ermöglicht, indem der Anschnittwinkel periodisch für eine kurze Zeitdauer (z. B. für eine Netzhalbwelle) auf einen für die Messung ausreichenden Grenzwert erhöht wird. Dieser minimale Anschnittwinkel ist im Wesentlichen durch die Qualität der Auswerteelektronik und durch die erwünschte Meßgenauigkeit bestimmt. Ist die Periode zwischen den auf diese Weise durchgeführten Messungen lang genug, so beeinflußt diese Methode das Motorverhalten nur unwesentlich, ermöglicht aber im ganzen Arbeitsbereich vorteilhafterweise die sensorlose Drehzahlerfassung.

Erfindungsgemäß kann die Ist-Drehzahl aus der ermittelten Steigung des Wicklungsstroms durch bestimmte, motorspezifische Rechenoperationen bestimmt werden. Es ist aber besonders einfach und somit auch steuerungstechnisch günstig, wenn der ermittelten Steigung des Wicklungsstromes anhand einer zuvor empirisch für den jeweiligen Motor ermittelten, also motorspezifischen, in geeigneten Speichermitteln abgelegten Steigungs-/Drehzahl-Tabelle eine jeweils zugehörige Drehzahl als aktuelle Ist-Drehzahl zugeordnet wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale und Maßnahmen der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen sowie auch in der folgenden Beschreibung enthalten.

Anhand der Zeichnung und darin veranschaulichter, bevorzugter Ausführungsbeispiele soll die Erfindung genauer erläutert werden. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform eines erfindungsge mäßen Steuersystems,

Fig. 2 verschiedene Spannungs- und Stromdiagramme zur Erläuterung der prinzipiellen Wirkungsweise einer Phasenanschnittssteuerung,

Fig. 3 mehrere Diagramme des Wicklungsstromes - hier speziell des Stromes i_AW durch die Arbeitswicklung eines Kondensatormotors - bei unterschiedlichen Drehzahlen n_n,

Fig. 4 ein weiteres Diagramm des Wicklungsstromes i_AW zur Erläuterung der Bestimmung der Steigung eines quasi-linearen Abschnittes des Stromverlaufs,

Fig. 5a u. b ein Flußdiagramm zum Ablauf einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 6 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform des erfindungsge mäßen Steuersystems,

Fig. 7 ein Detail-Schaltbild einer bevorzugten Ausführung eines in der Ausführung nach Fig. 6 vorgesehenen Nullstromdetektors,

Fig. 8 ein weiteres Blockschaltbild in einer Variante zu Fig. 6,

Fig. 9 ein Detail-Schaltbild einer bevorzugten Ausführung eines in der Aus führungsform nach Fig. 8 vorgesehenen Schalterspannungsdetektors,

Fig. 10 ein detaillierteres Schaltbild des Steuersystem in einer ersten möglichen Ausgestaltung und

Fig. 11 ein Schaltbild ähnlich Fig. 10 einer zweiten möglichen Realisierung.

Wie sich zunächst aus Fig. 1 ergibt, wird ein Wechselstrom-Motor 1 über einen stati schen Schalter 2 mit einer Wechselspannungsquelle 4, im Allgemeinen dem üblichen Niederspannungsnetz U_N, verbunden. Der Motor 1 ist als Kondensatormotor ausge führt, der eine Arbeitswicklung AW und dazu parallel eine in Reihe mit einem Betriebs kondensator C liegende Hilfswicklung HW aufweist. Der statische Schalter, hier bei spielhaft und symbolisch als Triac dargestellt, wird von einer Steuereinheit 6 insbeson dere zur Änderung der Lastspannung durch Phasenanschnitt gesteuert. Die Steuereinheit 6 erhält dazu von einem Nullspannungsdetektor 8 Informationen über die Zeitpunkte der Spannungsnulldurchgänge der Wechselspannung U_N. Der Schalter 2 kann von der Steuereinheit 6 zeitverzögert gegenüber dem Spannungsnulldurchgang gezündet werden, wodurch eine Reduzierung der an die Motorwicklungen AW, HW geschalteten Spannung gegenüber der Versorgungsspannung U_N möglich ist, woraus bei geeigneter Lastkennlinie eine Veränderung der Drehzahl resultiert. Die Zündverzö gerungszeit bzw. der Phasenanschnittwinkel wird der Steuereinheit 6 über einen Stell- Eingang S1 von einer übergeordneten (nicht dargestellten) Steuerung oder Regelung zur Drehzahlvariation vorgegeben. Zur internen Spannungsversorgung der Kompo nenten des Steuersystems ist außerdem ein Netzteil 10 vorgesehen.

Wenn nun der vorzugsweise durch einen Triac gebildete statische Schalter 2 bei jedem Nulldurchgang einen Zündimpuls erhält, ist er ständig eingeschaltet. In diesem Fall ist die Motorspannung gleich der Versorgungsspannung. Erfolgt die Zündung aber erst jeweils nach einer gewissen Verzögerung, wird durch Phasenanschnitt die effektive Motorspannung reduziert. Die Größe dieser Spannungsreduzierung ist von der Zeit abhängig, in der der Motor 1 von der Versorgungsspannung getrennt ist. In dieser Zeit bezieht er keine Energie aus der Spannungsquelle 4, deshalb arbeitet er mit einer abgeschwächten Motorkennlinie. Wenn der Motor 1 von der Spannungsquelle 4 getrennt ist, bedeutet dies jedoch nicht, dass seine Wicklungen AW, HW stromlos sind. Durch die in den Induktivitäten des Motors 1 gespeicherte Energie wird jeweils ein Strom im Stromkreis Arbeitswicklung AW - Hilfswicklung HW - Betriebskondensator C noch eine gewisse Zeit aufrecht erhalten.

In Fig. 2 sind die Versorgungsspannungen U_N, der Gesamtstrom i_ges in der Motorzuleitung, der Strom i_AW durch die Arbeitswicklung sowie der Strom i_HW durch die Hilfswicklung veranschaulicht. Bei Phasenanschnitt geht der Gesamtstrom i_ges periodisch auf Null zurück, die einzelnen Wicklungen sind aber in diesen Zeiten nicht stromlos. Da ein Kondensatormotor in einem breiten Arbeitsbereich mit einem Leistungsfaktor nahe Eins arbeitet, verläuft der Motorstrom i_ges ähnlich, wie es bei einer rein ohmschen Last der Fall wäre. Das bedeutet aber gleichzeitig, dass die Form des Gesamt-Motorstroms i_ges von der Drehzahl nicht wesentlich beeinflußt wird. Allerdings wurde erkannt, dass der Stromverlauf in der Arbeitswicklung sowie auch in der Hilfswicklung eine starke Drehzahlabhängigkeit aufweist.

in Fig. 3 ist dieser Effekt beispielhaft für den Stromverlauf i_AW in Arbeitswicklung AW des Motors 1 bei unterschiedlichen Drehzahlen n₁ bis n_n dargestellt. Bei dem veranschaulichten konkreten Beispiel handelt es sich um einen Kondensatormotor eines Gebläses bei 230 V/50 Hz Wechselstromnetz und 2 µF Betriebskondensator mit elektrisch 90° Phasenanschnittwinkel bei unterschiedlichen Drosselungen des Gebläses, was zu unterschiedlichen Drehzahlen führt, und zwar von oben nach unten:
956 min^-1 (freiblasend)
1300 min^-1
1600 min^-1
1900 min^-1
2200 min^-1
2500 min^-1 und
2780 min^-1.

Daraus ist deutlich erkennbar, dass jeder Stromverlauf in den Zeitphasen des Phasenanschnittes quasi-lineare Abschnitte aufweist, deren Steigung sich drehzahlabhängig ändert. Die Steigung kann demnach erfindungsgemäß zur Bestimmung der Drehzahl verwendet werden.

Dazu ist gemäß Fig. 1 erfindungsgemäß eine Stromerfassungseinrichtung 12 vorgesehen, die hier beispielhaft in Reihe zu der Arbeitswicklung AW geschaltet ist und ein dem Wicklungsstromverfauf entsprechendes Signal erzeugt, welches der Steuereinheit 6 zur Auswertung hinsichtlich der Drehzahlbestimmung zugeführt wird. Es sei nochmals erwähnt, dass alternativ natürlich auch die Auswertung des Stromes der Hilfswicklung HW möglich ist.

In der Steuereinheit 6 erfolgt die Auswertung des Wicklungsstromes zum Ermitteln der jeweiligen Ist-Drehzahl des Motors 1, die als ein Drehzahlsignal S2 an eine übergeordnete Überwachungseinrichtung, Steuerung, Regelung oder dergleichen in geeigneter Form, d. h. analog oder digital, übermittelt wird.

Zur Drehzahlerfassung wird die zeitliche Änderung des Wicklungsstromes während der phasenanschnittbedingten Ausschaltphasen bestimmt. Dies kann z. B. ein in der Steuereinheit 6 vorgesehener, kostengünstiger Mikrocontroller übernehmen, der gleichzeitig auch die Phasenanschnittsteuerung zur Drehzahlveränderung des Motors 1 durchführen kann. Prinzipiell kann dies bei Nutzung eines digitalen Rechners durch Bildung des Differenzenquotienten erfolgen. Hierzu wird der Augenblickswert des Wicklungsstroms zu zwei diskreten Zeitpunkten gemessen. Aus der Differenz der Stromwerte und der Zeitdauer zwischen den beiden Messungen kann die zeitliche Stromänderung, d. h. die Steigung der Stromkennlinie, berechnet werden.

In Fig. 4 ist beispielhaft die Messung des Wicklungsstromes I₀ zum Zeitpunkt t₀ kurz nach dem Sperren des statischen Schalters 2 und die zweite Messung des Stromes I₁ zum Zeitpunkt t₁ kurz vor dem erneuten Zünden des Schalters 2 dargestellt. Liegen die beiden Meßpunkte möglichst weit auseinander, so erhöht sich die Meßgenauigkeit. Durch Bildung des Differenzenquotienten

ΔI/Δt = (I₁ - I₀)/(t₁ - t₀)

wird die mittlere Stromsteilheit im Intervall [t₀, t₁] berechnet. Die Zeitpunkte t₀ und t₁ können zwei beliebige Zeitpunkte zwischen dem Sperren und erneutem Zünden des Schalters 2 sein, natürlich mit der Bedingung t₁ < t₀.

Aus der so ermittelten Strom-Steigung kann dann die Drehzahl nach einem motorspezifischen Zusammenhang bestimmt werden. Da aber das erfindungsgemäße System vorzugsweise bei kleinen Motoren zur Anwendung kommt, die sich nur mit großem Aufwand hinreichend durch ein mathematisches Modell beschreiben lassen, ist es vorteilhafter, die Beziehung Strom-Steigung zur Drehzahl für den jeweiligen Motortyp empirisch zu erfassen. Dies bedeutet, dass die für verschiedene Motor- Drehzahlen charakteristischen Strom-Steigungen zuvor gemessen und die so ermittelten Beziehungen in Form einer Tabelle im Mikrocontroller abgelegt werden. Damit ist jeder Strom-Steigung eindeutig eine Motor-Drehzahl zugeordnet. Die Bestimmung der Drehzahl kann auf diese Weise mit einem minimalen Aufwand an durchzuführenden arithmetischen Operationen geschehen.

Wird der Zusammenhang zwischen Strom-Steigung und Drehzahl tabellarisch festgelegt, ist es vorteilhafterweise auch nicht erforderlich, die Strom-Steigung - wie oben erläutert - genau zu berechnen. Vielmehr ist es ausreichend, die Stromänderung

ΔI = I₁ - I₀
innerhalb eines konstanten Zeitintervalls zu bestimmen. In der abzulegenden Tabelle ist dann der Zusammenhang zwischen Stromänderung im konstanten Zeitintervall und der Drehzahl gespeichert. Ist die Zeitdauer zwischen t₀ und t₁ bei jeder Messung konstant, so kann sich vorteilhafterweise die numerische Division erübrigen und die Berechnung auch mit einem einfachen Mikrocontroller mit geringsten Resourcen realisiert werden. Dies trägt zur Lösung der Aufgabe bei, nämlich ein kostengünstiges System zur sensorlosen Erfassung der Drehzahl zur Verfügung zu stellen.

Eine weitere Verbesserung hinsichtlich einer größeren Toleranz gegenüber auftretenden Störungen kann dadurch erreicht werden, dass die Messung und/oder Berechnung der Stromänderung während der Ausschaltphase wiederholt durchgeführt wird und eine Mittelwertbildung erfolgt. Diese Mittelwertbildung kann sowohl auf die Strom-Meßwerte angewandt werden als auch auf die berechnete Strom-Änderung.

Zur Unterdrückung von höherfrequenten Störungen wird bei jeder Strommessung vorzugsweise mehrmals hintereinander abgetastet und eine Mittelwertbildung insbesondere über einen digitalen Tiefpaß, beispielsweise gemäß der Gleichung

I'_i = (1 - k)I'_i-1 - kI_i (mit k < 1)

durchgeführt. I ist hierbei das Eingangssignal und I' das zeitlich gemittelte Ausgangssignal des Filters.

In Fig. 5a und 5b ist der Ablauf des bisher beschriebenen Verfahrens der sensorlosen Drehzahlerfassung zur weiteren Verdeutlichung in Form eines Flußdiagramms dargestellt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Mittelwertbildung der während einer Netzhalbwelle gemessenen Stromänderung ΔI_i über mehrere Netzperioden vorgesehen. Diese Maßnahme kann vorteilhaft bei einem System mit geringer Dynamik angewendet werden, was bei Antriebslösungen mit Kondensatormotoren in den meisten Fällen auch zutrifft. Hierzu werden über N Netzhalbwellen die Stromänderungen ΔI_i gemessen und die mittlere Stromänderung Δ/^* im Meßintervall z. B. gemäß

ΔI^* = ΣΔI_i/N (mit i = 1, 2 . . . ., N)

berechnet. Die Anzahl der gemittelten Werte N wird dabei bevorzugt so gewählt, dass sie durch eine Zweierpotenz teilbar ist, um so die erforderliche Division zur Mittelwertbildung durch einfache binäre Schiebeoperationen realisieren zu können.

Wird der Motor 1 mit Vollaussteuerung, d. h. ohne Phasenanschnitt, oder bei sehr kleinen Anschnittwinkeln betrieben, so wäre eine sensorlose Erfassung der Drehzahl nach der Erfindung eigentlich nicht, jedenfalls nicht ohne weiteres möglich, da der statische Schalter 2 ständig leitet bzw. die Zeit zur Messung der Stromänderung zu kurz ist. Diese Problematik wird erfindungsgemäß jedoch dadurch gelöst, dass periodisch angeschnittene Netzhalbwellen jeweils mit einer für die Erfassung der Stromänderung ausreichenden Zündverzögerungszeit eingefügt und eine Messung der Stromänderung zur Drehzahlbestimmung durchgeführt wird. Solange die Zeitdauer zwischen zwei derart "künstlich" eingefügten angeschnittenen Halbwellen groß gegenüber der Netzperiodendauer ist, wird dadurch die effektive Wicklungsspannung, d. h. die Motordrehzahl, nur unwesentlich beeinflußt.

Für die erfindungsgemäße Ermittlung der Stromänderung müssen - vgl. dazu nochmals Fig. 4 - die Zeitpunkte t_b des Beginns und t_e des Endes der Zeitphase bekannt sein, während der der Motor 1 vom Netz getrennt ist, d. h. der statische Schalter 2 sperrt. Der Zeitpunkt t_e entspricht dem Zündzeitpunkt des statischen Schalters 2, der von der Steuereinheit 6 selbst für den Phasenanschnitt generiert wird und ihr daher ohnehin bekannt ist. Zum Zeitpunkt t_b geht der statische Schalter 2 vom leitenden in den sperrenden Zustand über. Dieser Zeitpunkt ändert sich in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Motors und muß deshalb jeweils bestimmt werden. Dazu seien im folgenden bevorzugte Methoden erläutert.

Eine erste Möglichkeit ist in den Fig. 6 und 7 veranschaulicht. Dabei wird der Zeitpunkt t_b des Sperrens, d. h. des Beginns einer Messung der Stromänderung, durch einen in Reihe zu dem statischen Schalter 2 geschalteten Nullstromdetektor 14 festgestellt. Dieser überwacht den Stromfluß und gibt ein Signal an die Steuereinheit 6 weiter, wenn der Strom unter eine vordefinierte Grenze nahe Null gefallen ist.

Eine mögliche schaltungstechnische Realisierung des Nullstromdetektors 14 ist in Fig. 7 dargestellt. Bei dieser Schaltung wird die Flußspannung zwei antiparallel geschalteter Dioden D6, D7 überwacht. Fließt kein Strom durch diese Dioden, so ist die Spannung über den Dioden gleich Null, wodurch zwei Transistoren T9, T10 sperren und der Nullstromdetektor 14 dadurch ein logisches 0-Signal am Ausgang liefert (I = 0).

In Fig. 8 ist eine weitere vorteilhafte Alternative zur Bestimmung des Zeitpunktes t_b dargestellt. Hierbei wird die Spannung über dem statischen Schalter 2 mittels eines dazu parallel liegenden Schalterspannungsdetektors 16 und bevorzugt durch einen Fensterkomparator überwacht, der ein logisches 0-Signal am Ausgang liefert, sobald die Spannung über dem Schalter 2 größer als seine im leitenden Zustand betriebsmäßig auftretende Durchlaßspannung ist.

Eine mögliche Schaltungsrealisierung dieses Schalterspannungsdetektors 16 ist in Fig. 9 dargestellt. Ist die Spannung über dem Schalter 2 kleiner als die durch Z-Dioden Z6, Z7 vorgegebene positive und negative Spannungsgrenze, so leitet keiner von zwei Transistoren T7, T12; am Ausgang steht dann ein logisches 1-Signal an. Ist die Schalterspannung dagegen größer als das durch die Z-Dioden festgelegte Fenster, so leitet je nach Spannungspolarität entweder der eine oder der andere der beiden Transistoren T7/T12, wodurch ein logisches 0-Signal am Ausgang des Detektors 16 entsteht. Das Spannungsfenster ist hierbei so festgelegt, dass bei der betriebsmäßig über dem Schalter 2 auftretenden Flußspannung ein 1-Signal am Ausgang entsteht, welches den leitenden Zustand des Schalters 2 signalisiert, und bei gesperrtem Schalter, wobei die Spannung größer ist als die betriebsmäßig auftretende Flußspannung, ein 0-Signal am Ausgang erzeugt wird.

In einer weiteren Variante kann der Zeitpunkt t_b vorteilhafterweise sogar auch ohne zusätzliche Mittel bestimmt werden, d. h. auch mit einer Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1. Dazu wird von der Steuereinheit 6 fortlaufend, auch im leitenden Zustand des Schalters 2, die Änderung des Wicklungsstromes mittels der Stromerfassungseinrichtung 12 mit einer konstanten Abtastrate festgestellt. Wie die in Fig. 3 veranschaulichten Wicklungsstromverläufe zeigen, tritt (gemäß Fig. 4) zum Zeitpunkt t_b des Sperrens des Schalters 2 jeweils ein Knick im Stromverlauf auf. Dies äußert sich in einer sprungförmigen Änderung der jeweils berechneten Strom- Steigung. Ändert sich die Steigung innerhalb eines konstanten Meßintervalls zwischen aufeinander folgenden Berechnungen um einen Wert, der größer als ein vordefinierter maximaler Grenzwert σ ist, dann liegt der Zeitpunkt t_b vor.

Im einfachsten Fall kann beispielsweise das Kriterium

|ΔI_i+1 - ΔI_i| < σ

zur Erkennung des Abschaltzeitpunktes t_b des statischen Schalters 2 herangezogen werden.

Die Messung des Wicklungsstromes kann nach einem bekannten Prinzip erfolgen. Dieses kann beispielsweise die Erfassung der Spannung über einem in Reihe zur Arbeits- oder Hilfswicklung des Motors geschalteten Widerstand (Shunt) sein oder die Auswertung der vom Strom hervorgerufenen magnetischen Wirkung in Form der Messung des magnetischen Flusses durch einen Hall-Sensor oder magnetoresistiven Sensor.

Der Schaltungsteil zur Strommessung der Motorwicklung und die Ansteuerschaltung für den statischen Schalter 2 liegen je nach Schaltzustand auf unterschiedlichem elektrischem Potential. Daher kann eine Pegelumsetzung entweder des Strom- Meßsignals oder des Ansteuersignals für den Schalter 2 erforderlich sein. Dies kann auf verschiedene Arten realisiert werden.

In Fig. 10 ist beispielhaft eine detailliertere Ausführung der elektronischen Schaltung zur sensorlosen Drehzahlerfassung dargestellt, wobei die Strommessung über einen in Reihe zur Motorwicklung liegenden Shunt-Widerstand R3 erfolgt. Die Steuereinheit 6, hier in Form eines Mikrocontrollers IC1, liegt auf dem gleichen elektrischen Potential wie die Strom-Meßschaltung. Die Ansteuerung des Wechselstroms-Schalters 2, im vorliegenden Beispiel durch einen Triac realisiert, erfolgt bevorzugt galvanisch getrennt insbesondere über einen geeigneten Optokoppler OK2. Die Niederspannung wird über einen Transformator TR1 aus der Netzspannung U_N zur Verfügung gestellt. Die Vorgabe des Phasenanschnittwinkels erfolgt hier im Beispiel digital in Form des Aussteuergrades eines externen pulsweitenmodulierten Signals S1, welches vorzugsweise ebenfalls über einen Optokoppler OK1 galvanisch getrennt übertragen wird. Die Rückmeldung der vom Mikrocontroller bzw. von der Steuereinheit 6 sensorlos erfaßten Drehzahl an die nicht dargestellte übergeordnete Einrichtung erfolgt im Beispiel als digitale Information, vorzugsweise in Form der Frequenz eines Rechtecksingnals S2 (festgelegte Anzahl von Impulsen pro Umdrehung), und ebenfalls bevorzugt galvanisch getrennt über einen Optokoppler OK3.

In Fig. 11 ist schließlich eine weitere Ausführungsvariante gezeigt. Hier hat der Mikrocontroller IC1 der Steuereinheit 6 das gleiche elektrische Potential wie der Schalter 2. Die Strommessung erfolgt wiederum über einen Shunt-Widerstand R3 in Reihe zu einer der Motorwicklungen, hier der Arbeitswicklung AW. Das Strommeßsignal wird galvanisch getrennt über einen Linear-Optokoppler OK2 übertragen.

Eine weitere Möglichkeit der galvanisch getrennten Strommessung wäre die Nutzung eines Hall-Sensors oder eines magnetoresistiven Sensors. Diese Sensoren erfassen das vom Wicklungsstrom um eine Leiterbahn oder in einer speziellen Meßspule erzeugte magnetische Feld und liefern ein zur Flußdichte weitestgehend proportionales Ausgangssignal. Diese Variante ist in den Zeichnungen nicht veranschaulicht.

Claims

1. Verfahren zum Ermitteln der Ist-Drehzahl eines phasenanschnittgesteuerten Wechselstrom-Motors (1), insbesondere Kondensatormotors, wobei der Motor zur Änderung seiner Drehzahl jeweils periodisch über einen bestimmten Phasenanschnittwinkel hinweg von einer Versorgungsspannung (U_N) abschaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils innerhalb einer Zeitphase, in der der Motor (1) von der Versorgungsspannung (U_N) getrennt ist, die Steigung eines in dieser Phase quasi-linear verlaufenden Wicklungsstromes (i_AW/i_HW) gemessen und daraus die Ist-Drehzahl bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle einer maximalen Drehzahl-Aussteuerung des Motors, wobei der Drehzahl- Phasenanschnittwinkel im Wesentlichen Null ist, für die Bestimmung der Ist- Drehzahl jeweils periodisch eine Meßphase eingefügt wird, in der der Motor mit einem bestimmten, minimalen Mess-Anschnittwinkel von der Versorgungsspannung getrennt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Messen der Steigung des Wicklungsstromes durch Bildung des Differenzenquotienten erfolgt, indem in mindestens zwei diskreten Zeitpunkten die Augenblickswerte des Wicklungsstromes gemessen werden und aus der Differenz dieser Augenblickswerte und der Zeitdauer zwischen den Messungen die Steigung des Wicklungsstrom-Verlaufes bestimmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung des Wicklungsstromes als Stromänderung (ΔI = I₁ - I₀) innerhalb eines jeweils konstanten Zeitintervalls ermittelt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich net, dass aus der ermittelten Steigung des Wicklungsstromes nach einem motorspezifischen Zusammenhang die jeweilige Ist-Drehzahl bestimmt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich net, dass der ermittelten Steigung des Wicklungsstromes anhand einer zuvor empirisch ermittelten, motorspezifischen Steigungs-/Drehzähl-Tabelle eine jeweils zugehörige Drehzahl als aktuelle Ist-Drehzahl zugeordnet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich net, dass während der Zeit- bzw. Meßphase, in der der Motor von der Versorgungsspannung getrennt ist, die Bestimmung der Ist-Drehzahl wiederholt mit anschließender Mittelwertbildung durchgeführt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich net, dass mehrmals über mehrere Halbwellen der Versorgungsspannung und die jeweiligen Zeit- bzw. Meßphasen hinweg die Steigung des Wicklungsstromes bzw. die Ist-Drehzahl bestimmt wird, wobei aus den ermittelten Werten ein Mittelwert berechnet wird.

9. Steuersystem für einen Wechselstrom-Motor (1), insbesondere ein Kondensa tormotor mit einer Arbeitswicklung (AW) und einer in Reihe mit einem Betriebs kondensator (C) liegenden Hilfswicklung (HW), wobei über mindestens einen von einer Steuereinheit (6) steuerbaren statischen Schalter (2) der Motor (1) zur Än derung seiner Drehzahl periodisch über einen bestimmten Phasenanschnittwin kel hinweg von einer Versorgungsspannung (U_N) abschaltbar ist, und wobei eine Einrichtung zum sensorlosen Ermitteln der jeweiligen Ist-Drehzahl des Motors (1), insbesondere unter Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum sensorlosen Ermitteln der Ist-Drehzahl aus Mitteln zur Überwachung eines Wicklungsstromes (i_AW oder i_HW) des Motors (1) und zum Erfassen der Steigung von im jeweils von der Versorgungsspannung (U_N) abgetrennten Zustand des Motors (1) auftretenden, quasi-linear verlaufenden Abschnitten des Wicklungsstromes (i_AW oder i_HW) sowie aus Mitteln zum Bestimmen der Ist-Drehzahl anhand der jeweils erfaßten Steigung des Wicklungsstromes besteht.

10. Steuersystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel zur Überwachung des Wicklungsstromes eine in Reihe zu einer Motorwicklung (AW oder HW) geschaltete Stromerfassungseinrichtung (12) vorgesehen ist, die ein dem zeitlichen Verlauf des Wicklungsstromes entsprechendes Signal erzeugt, welches zur Auswertung der Steuereinheit (6) zugeführt wird.

11. Steuersystem nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch Mittei zum Feststellen des Zeitpunktes (t_b) des Beginns und eventuell des Zeitpunktes (t_e) des Endes der Zeitphasen, in denen der Motor (1) über den statischen Schalter (2) von der Versorgungsspannung (U_N) getrennt ist.

12. Steuersystem nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch einen in Reihe zu dem statischen Schalter (2) geschalteten Nullstromdetektor (14).

13. Steuersystem nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch einen parallel zu dem statischen Schalter (2) liegenden Schalterspannungsdetektor (16).

14. Steuersystem nach einem der Ansprüche 9 bis 13, gekennzeichnet durch einen die Versorgungsspannung (U_N) zur Feststellung ihrer Nulldurchgänge überwachenden Spannungsdetektor (8).

15. Steuersystem nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekenn zeichnet, dass die Steuereinheit (6) Speichermittel zum Ablegen einer insbesondere empirisch ermittelten, motorspezifischen Steigungs-/Drehzahl- Tabelle aufweist.

16. Steuersystem nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekenn zeichnet, dass die Steuereinheit (6) eine Auswerteeinheit zum Bestimmen der Ist-Drehzahl als einen für die jeweils erfaßte Strom-Steigung gespeicherten Drehzahl-Wert aufweist.