DE102007057922A1

DE102007057922A1 - Verfahren zur Bestimmung der Drehstellung der Antriebswelle eines Gleichstrommotors

Info

Publication number: DE102007057922A1
Application number: DE102007057922A
Authority: DE
Inventors: Norbert Buck; Werner Prof. Dr. Pohl; Waldemar Steinbarth; Ulrich Stich
Original assignee: Hella KGaA Huek and Co
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2007-12-01
Filing date: 2007-12-01
Publication date: 2009-06-04

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Drehstellung φ(t) einer Antriebswelle bzw. eines Rotors eines Gleichstrommotors in der Anlaufphase, wobei die Drehstellung φ(t) aus einer Anzahl N von bei der Drehung des Rotors des Gleichstrommotors in der Anlaufphase durch Übergang von Bürsten von einer Statorlamelle zu anderen entstehenden Stromspitzen, auch als Ripple bezeichnet, ermittelt wird, wobei der Motorstrom auf Änderungen überwacht wird und wobei eine Stromspitze erkannt wird, sobald die Änderung des Stroms einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt, wobei zur Überprüfung, ob eine erste Änderung des Stroms nach dem Einschalten des Gleichstrommotors zutreffend als erste Stromspitze aufgrund des Übergangs der Bürsten von einer Statorlamelle zur anderen erkannt ist oder nicht, der Zeitpunkt t₂ der zweiten erkannten Stromspitze und der Zeitpunkt t₃ der dritten erkannten Stromspitze gemessen wird, die Aussage 0 ≦ 2 · t₂ ² - t₃ ² auf ihren Wahrheitswert geprüft wird und bei einem Wahrheitswert 0 dieser Aussage die Anzahl N der erkannten Stromspitzen dekrementiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Drehstellung einer Antriebswelle beziehungsweise eines Rotors eines Gleichstrommotors in der Anlaufphase, wobei die Drehstellung aus einer Anzahl von bei der Drehung des Rotors des Gleichstrommotors in der Anlaufphase durch Übergang von Bürsten von einer Statorlamelle zur anderen Statorlamelle entstehenden Stromspitzen ermittelt wird. Diese Stromspitzen werden auch als Ripple bezeichnet. Als Teil des Verfahrens wird der Motorstrom auf Änderungen überwacht und sobald die Änderung des Stroms einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt, wird eine Stromspitze erkannt.
Ein derartiges Verfahren zum Bestimmen der Drehstellung der Antriebswelle eines Gleichstrommotors ist aus dem Stand der Technik bekannt. Der Motorstrom wird dabei auf Änderungen überwacht. Überschreiten die Änderungen von einem minimalen in einem Speicher abgelegten Strom ausgehend einen Schwellwert, wird der Beginn einer Stromspitze erkannt. Der aktuelle Wert des Stroms beim Überschreiten des Schwellwerts für die Änderung wird in einem weiteren Speicher als Maximalwert des Stroms abgelegt. Ein gegebenenfalls in dem Speicher zuvor abgelegter maximaler Wert des Stroms wird dabei überschrieben.
Steigt von dem Zeitpunkt des Beginns der Stromspitze der Strom weiter an, wird der jeweils aktuelle höhere Stromwert in dem Speicher für den maximalen Stromwert abgelegt.
Sinkt dann der Strom wieder und überschreitet die Änderung des Stroms ausgehend von dem abgespeicherten Maximalwert des Stroms einen weiteren Schwellwert, wird das Ende der Stromspitze erkannt. Der zum Ende der Stromspitze gemessene Strom wird in dem Speicher für den minimalen Strom abgelegt. Der zuvor abgelegte minimale Wert für den Strom wird überschrieben.
Sinkt dann der Strom weiter, wird der jeweils aktuellere niedrigere Wert in den Speicher geschrieben. Steigt der Strom anschließend erneut, kann in der gleichen Art und Weise eine weitere Stromspitze erkannt werden.
Für jede erkannte Stromspitze wird ein Zähler inkrementiert. Aufgrund des fest vorgegebenen Zusammenhangs zwischen der Anzahl der Stromspitzen pro Umdrehung aufgrund der Lamellenzahl des Stators des Gleichstrommotors kann aus der Anzahl der Stromspitzen unmittelbar der zurückgelegte Drehwinkel der Antriebswelle beziehungsweise des Rotors ermittelt werden.
Das bekannte Verfahren zur Bestimmung der Drehstellung der Antriebswelle beziehungsweise des Rotors eines Gleichstrommotors hat sich in der Praxis als robust gegenüber Störungen erwiesen. Die Drehstellungserkennung insbesondere eines Stellmotors, zum Beispiel eines Fensterhebers oder eines Stellmotors eines Schiebedachs kann zuverlässig erkannt werden. Derartige Stellmotoren werden aber auch bei der elektromotorischen Sitzeinstellung verwendet.
Schwächen hat das bekannte Verfahren jedoch beispielsweise in der Anlaufphase des Gleichstrommotors unmittelbar nach dessen Einschalten. Aufgrund des dann sprunghaft ansteigenden Stroms wird unmittelbar nach dem Einschalten des Motors in jedem Fall eine Änderung des Stroms erreicht, die dazu führt, dass eine Stromspitze erkannt wird. Es werden dann auch Stromspitzen erkannt, obwohl die Bürsten des Rotors keinen Übergang zwischen zwei Statorlamellen überschritten haben. Dieses kann dazu führen, dass eine Stromspitze zuviel erkannt wird. Das Ergebnis der ermittelten Drehstellung des Rotors beziehungsweise der Antriebswelle kann somit von der tatsächlichen Drehstellung abweichen.
Hier setzt die vorliegende Erfindung an.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte Verfahren zum Bestimmen der Drehstellung der Antriebswelle des Gleichstrommotors so zu verfeinern, dass auch in der Anlaufphase eine zuverlässige Erfassung der Stromspitzen möglich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zur Überprüfung, ob eine erste Änderung des Stroms nach dem Einschalten des Gleichstrommotors zutreffend als erste Stromspitze aufgrund des Übergangs der Bürsten von einer Statorlamelle zur anderen erkannt ist oder nicht, der Zeitpunkt t₂ der zweiten erkannten Stromspitze und der Zeitpunkt t₃ der dritten erkannten Stromspitze gemessen wird, die Aussage 0 ≤ 2·t₂ ² – t₃ ² auf ihren Wahrheitswert geprüft wird und bei einem Wahrheitswert 0 diese Aussage die Anzahl der erkannten Stromspitzen dekrementiert wird.
Erfindungsgemäß wird im Grunde genommen eine Plausibilitätsüberprüfung der ersten Stromspitze durchgeführt. Die Plausibilitätsüberprüfung beruht dabei auf dem Messwert für den Zeitpunkt der zweiten erkannten Stromspitze und dem Zeitpunkt der dritten erkannten Stromspitze. Diese Messwerte für die beiden Zeitpunkte fließen in den Term 2t₂ ² – t₃ ² ein. Ist der Betrag dieses Terms größer 0 oder gleich 0 ist die erste Stromspitze richtig als solche erkannt worden. Ist der Betrag des Terms dagegen kleiner als 0, handelt es sich bei der ersten erkannten Stromspitze tatsächlich nicht um eine Stromspitze die aufgrund des Übergangs der Bürsten von einer Statorlamelle zur anderen Statorlamelle entstehen. Die Stromspitze ist fälschlich als solche erkannt worden und der Zähler für die Anzahl der erkannte Stromspitze wird dekrementiert.
Warum die Feststellung des Wahrheitswerts der Aussage 0 ≤ 2·t₂ ² – t₃ ² für die Plausibilitätsüberprüfung der ersten Stromspitze geeignet ist, ergibt sich aus Folgendem:
Die Anzahl der Stromspitzen nimmt nach dem Einschalten des Gleichstrommotors exponentiell zu. Daraus ergibt sich auch ein exponentieller Verlauf des Drehwinkels φ.
Messtechnische Untersuchungen mit Hilfe von Referenzsignalen, die beispielsweise unter Zuhilfenahme von Lichtschranken ermittelt wurden, ergaben, dass sich der exponentielle Verlauf des Winkels insbesondere in einer Anfangsphase durch eine Parabel annähern lässt. Für den parabelförmigen Verlauf des Drehwinkels φ ergibt sich dann die folgende Gleichung:
Ferner ist bekannt, dass die Winkeldifferenz Δφ zwischen zwei Stromspitzen aufgrund des inneren Aufbaus des Motors stets gleich ist. Dieses ergibt sich daraus, dass die von den Statorlamellen abgedeckten Winkelbereiche gleich sind. Es ergibt sich daher: Δφ = φ2 – φ1 = φ3 – φ2 (2)
Setzt man in Gleichung (2) für φ₁, φ₂ und φ₃ den Term der Gleichung (1) ein, ergibt sich folgende Gleichung:
Aus dieser Gleichung kürzen sich alle Parameter der quadratischen Terme heraus. Stellt man die Gleichung (3) nach t₁ ² um, ergibt sich:
Aus Gleichung (4) ergibt sich, dass der Betrag für t₁ ² sich aus den Beträgen für t₂ und t₃ rechnerisch ermitteln lässt. Aus weiteren Überlegungen ergibt sich, dass t₁ ² nur positive Werte oder den Wert 0 annehmen kann. Negative Werte für t₁ sind ausgeschlossen.
Durch weitere Überlegungen lässt sich dann zeigen, dass bei negativen Werten für den Term 2t₂ ² – t₃ ² die zweite erkannte Stromspitze tatsächlich die erste Stromspitze ist und die erste erkannte Stromspitze nicht durch die Kommutierung hervorgerufen wurde.
Erfindungsgemäß kann bei einem Wahrheitswert 1 die Anzahl der erkannten Stromspitzen unverändert bleiben.
Gemäß der Erfindung kann die Drehstellung der Antriebswelle beziehungsweise des Rotors nach der Formel
berechnet werden, wobei p die Anzahl der Statorlamellen ist.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Drehstellung der Antriebswelle beziehungsweise des Rotors eines Gleichstrommotors in der Anlaufphase, wobei die Drehstellung aus der Anzahl der Stromspitzen ermittelt wird, weist Messmittel zum Messen des Motorstroms, Erkennungsmittel zum Erkennen von Änderungen des Motorstroms als Stromspitzen auf, sobald die Änderung des Stroms einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt, und ein Mittel zum Inkrementieren der Anzahl der erkannten Stromspitzen auf. Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet und eingerichtet.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann Mittel zum Erfassen des Zeitpunkts der zweiten erkannten Stromspitze und des Zeitpunkts der dritten erkannten Stromspitze aufweisen.
Ferner umfasst die Vorrichtung vorzugsweise Mittel zum Berechnen von 2·t₂ ² – t₃ ².
Mit einem Mittel zum Ermitteln des Wahrheitswertes der Aussage 0 ≤ 2·t2 2 – t3 2, (6)dass eine erfindungsgemäße Vorrichtung vorzugsweise aufweist, kann dann eine Aussage über die erste erkannte Stromspritze gemacht werden. Ist der Wahrheitswert 0, wird die Anzahl der erkannten Stromspitzen dekrementiert, ist der Wahrheitswert 1, bleibt die Anzahl der erkannten Stromspitzen unverändert.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Drehstellung φ(t) einer Antriebswelle bzw. eines Rotors eines Gleichstrommotors in der Anlaufphase, wobei die Drehstellung φ(t) aus einer Anzahl N von bei der Drehung des Rotors des Gleichstrommotors in der Anlaufphase durch Übergang von Bürsten von einer Statorlamelle zur anderen entstehenden Stromspritzen, auch als Ripple bezeichnet, ermittelt wird, wobei der Motorstrom auf Änderungen überwacht wird und wobei eine Stromspitze erkannt wird, sobald die Änderung des Stroms einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt, dadurch gekennzeichnet, dass zur Überprüfung, ob eine erste Änderung des Stroms nach dem Einschalten des Gleichstrommotors zutreffend als erste Stromspitze aufgrund des Übergangs der Bürsten von einer Statorlamelle zur anderen erkannt ist oder nicht, der Zeitpunkt t₂ der zweiten erkannten Stromspitze und der Zeitpunkt t₃ der dritten erkannten Stromspitze gemessen wird, die Aussage 0 ≤ 2·t₂ ² – t₃ ² auf ihren Wahrheitswert geprüft wird und bei einem Wahrheitswert 0 dieser Aussage die Anzahl N der erkannten Stromspitzen dekrementiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Wahrheitswert 1 die Anzahl N der erkannten Stromspitzen unverändert bleibt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehstellung φ(t) der Antriebswelle bzw. des Rotors nach folgender Formel berechnet wird:
mit p als Anzahl der Statorlamellen.
Vorrichtung zur Bestimmung der Drehstellung φ(t) einer Antriebswelle bzw. eines Rotors eines Gleichstrommotors in der Anlaufphase, wobei die Drehstellung φ(t) aus einer Anzahl N von bei der Drehung des Rotors des Gleichstrommotors in der Anlaufphase durch Übergang von Bürsten von einer Statorlamelle zur anderen entstehenden Stromspritzen, auch als Ripple bezeichnet, ermittelbar, wobei die Vorrichtung Messmittel zum Messen des Motorstroms, Erkennungsmittel zum Erkennen von Änderungen des Motorstroms als Stromspitze, sobald die Änderung des Stroms einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt, und ein Mittel zum Inkrementieren der Anzahl N der erkannten Stromspitzen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 geeignet und eingerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Mittel zum Erfassen des Zeitpunkts t₂ der zweiten erkannten Stromspitze und des Zeitpunkts t₃ der dritten erkannten Stromspitze aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Mittel zum Berechnen des Terms 2·t₂ ² – t₃ ² aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Mittel zum Ermitteln des Wahrheitswerts der Aussage 0 ≤ 2·t₂ ² – t₃ ² aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Mittel zum Dekrementieren der Anzahl N der erkannten Stromspitzen aufweist.