DE102007057923A1 - Direct-current motor method for determining the position of rotation in a drive shaft on a direct-current motor in a run-out/braking stage uses peak loads arising through transferring brushes from one stator lamella to another - Google Patents

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Abstract

A drive shaft's position of rotation is determined from peak loads calculated as ripples that arise through transferring brushes from one stator lamella to another when a direct-current motor's rotor rotates in a braking stage. Directly before a braking stage starts, peak loads are calculated from a time constant for a rotor's motion reduced by braking and from a time-span between two peak loads. An independent claim is also included for a device for determining the position of rotation in a drive shaft on a direct-current motor in a run-out/braking stage.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Drehstellung einer Antriebswelle beziehungsweise eines Rotors eines Gleichstrommotors in der Auslauf- beziehungsweise Bremsphase, wobei die Drehstellung aus einer Anzahl von bei der Drehung des Rotors des Gleichstrommotors in der Bremsphase durch den Übergang von Bürsten von einer Statorlamelle zu anderen entstehenden Stromspitzen – auch als Ripple bezeichnet – ermittelt wird.The The invention relates to a method for determining the rotational position a drive shaft or a rotor of a DC motor in the coasting or braking phase, wherein the rotational position from a number of times during the rotation of the rotor of the DC motor in the braking phase by the transition of brushes from a stator blade to other nascent current spikes - too called ripple - is determined.

Gleichstrommotoren werden als Stellantriebe in vielfältiger Weise und in vielen Bereichen der Technik verwendet. Gleichstrommotoren werden beispielsweise als Stellmotoren für die elektromotorische Einstellung von Fahrzeugsitzen oder für das Schließen oder Öffnen von Fahrzeugfenstern bei Kraftfahrzeugen eingesetzt. In beiden Fällen kann es auf die positionsgenaue Einstellung des Fahrzeugsitzes beziehungsweise des Fensters ankommen.DC motors be used as actuators in many ways and in many Fields of technology used. DC motors, for example as servomotors for the electromotive adjustment of Vehicle seats or for closing or opening used by vehicle windows in motor vehicles. In both cases It may be on the positionally accurate adjustment of the vehicle seat or of the window arrive.

Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Gleichstrommotoren mit einer sensorlosen Positionserkennung nach einem sogenannten Ripple-Count-Verfahren bekannt. In diesen Druckschriften ist zum Teil auch das Problem beschrieben, dass während der Auslauf- beziehungsweise Bremsphase des Motors zuverlässig das Ripple beziehungsweise die Stromspitze im Ankerstrom des Motors erfasst werden kann. Beispielhaft sei auf die Druckschrift mit der Veröffentlichungsnummer DE 198 34 108 C2 verwiesen.From the prior art, a plurality of DC motors with a sensorless position detection according to a so-called ripple-count method is known. These documents also partly describe the problem that during the run-out or braking phase of the motor, reliably the ripple or the current peak in the armature current of the motor can be detected. As an example, see the publication with the publication number DE 198 34 108 C2 directed.

Das Problem der Stromspitzenerkennung in der Brems- beziehungsweise Auslaufphase eines Gleichstrommotors liegt darin, dass mit abnehmender Drehzahl des Motors auch die Amplitude der Stromspitzen abnimmt. Die Stromspitzen werden schwächer und somit schwerer zu detektieren. Unterschreitet die Amplitude der Stromspitzen einen kritischen Wert, können die nachfolgenden Stromspitzen nicht mehr zuverlässig detektiert werden.The Problem of current peak detection in the brake or Leakage phase of a DC motor is that with decreasing Speed of the motor also decreases the amplitude of the current peaks. The current peaks become weaker and thus harder detect. If the amplitude of the current peaks falls below one critical value, the subsequent current peaks no longer reliably detected.

Bereits zu Beginn der Bremsphase sinkt die Amplitude der Stromspitzen soweit ab, dass die nachfolgenden Stromspitzen in zunehmendem Maße nicht richtig erkannt werden. Zum Teil lassen sich bis zu 65% der Stromspitzen während der Bremsphase nicht mehr richtig erkennen.Already at the beginning of the braking phase, the amplitude of the current peaks decreases so far starting from that, the subsequent current spikes are increasing not be recognized correctly. In some cases, up to 65% of the Current peaks during the braking phase are no longer correct detect.

Wie viele Stromspitzen während der Bremsphase nicht erkannt werden, hängt in erster Linie von der Belastung des Motors und dem ausgewählten Schwellwert für die Minimal-/Maximalerkennung ab, der für die Erkennung der Stromspitzen erkannt wird.As many current peaks were not detected during the braking phase depends primarily on the load on the engine and the selected minimum / maximum detection threshold from which is detected for the detection of current spikes.

Wird der ausgewählte Schwellwert zu niedrig gewählt, können deutlich mehr Stromspitzen während der Bremsphase erfasst werden. Bei einem zu niedrigen Schwellwert besteht dann allerdings die Gefahr, dass bei bereits leichten Unregelmäßigkeiten im Motorstrom fälschlicherweise Stromspitzen erkannt werden.Becomes the selected threshold is set too low, can significantly more current spikes during the Braking phase are detected. If the threshold is too low then, however, the danger that even with slight irregularities in the motor current falsely detected current peaks.

Hier setzt die vorliegende Erfindung an.Here uses the present invention.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der eingangs genannten Art so fortzubilden, dass eine zuverlässige Erfassung der Stromspitzen in der Auslauf- beziehungsweise Bremsphase des Gleichstrommotors möglich ist.Of the The present invention is based on the object, the method of the aforementioned type so that a reliable Detection of the current peaks in the coasting or braking phase of the DC motor is possible.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Anzahl der Stromspitzen sich aus einer Zeitkonstanten der gebremsten Rotorbewegung und einer Zeitspanne zwischen zwei Stromspitzen unmittelbar vor dem Beginn der Bremsphase berechnet. Die Berechnung der Anzahl der Stromspitzen während der Bremsphase erfolgt nach folgender Formel:

Figure 00020001
This object is achieved in that the number of current peaks is calculated from a time constant of the braked rotor movement and a time interval between two current peaks immediately before the start of the braking phase. The calculation of the number of current peaks during the braking phase is based on the following formula:
Figure 00020001

In der Gleichung (1) bedeutet NRipple_Brems die Anzahl der Stromspitzen während der Auslauf- beziehungsweise Bremsphase, τ
die Zeitkonstante der gebremsten Rotorbewegung und
NRipple_Stop die Zeitspanne zwischen zwei Stromspitzen unmittelbar vor dem Beginn der Bremsphase.In the equation (1), N Ripple_Brems means the number of current spikes during the coasting or braking phase, τ
the time constant of the braked rotor movement and
N Ripple_Stop the time between two current spikes immediately before the start of the braking phase.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich die Anzahl der Stromspitzen während der Brems- beziehungsweise Auslaufphase unabhängig zu der Größe der Amplituden der einzelnen Stromspitzen berechnen. Das Verfahren zur Berechnung beziehungsweise Ermittlung der Anzahl der Stromspitzen ist damit robuster gegenüber Störungen, und macht ein zuverlässiges Ermitteln der Anzahl der Stromspitzen in der Auslauf- beziehungsweise Bremsphase überhaupt erst möglich.With the method according to the invention, the number of current peaks during the braking or deceleration phase can be calculated independently of the magnitude of the amplitudes of the individual current peaks. The method for calculating or determining the number of current spikes is thus more robust against disturbances, and makes it possible to reliably determine the number of current spikes in the spout. or braking phase in the first place possible.

Gemäß der Erfindung kann als Zeitkonstante der gebremsten Rotorbewegung die Zeitspanne genommen werden, die vom Zeitpunkt des Beginns der Brems- beziehungsweise Auslaufphase bis zu dem Zeitpunkt vergeht, zu dem der Motorstrom ungefähr 37% des Werts zum Beginn der Brems-beziehungsweise Auslaufphase erreicht hat. Die Festlegung der Zeitkonstante auf diesen Wert ist möglich, da die Geschwindigkeit des Rotors und auch der Motorstrom einen näherungsweise exponentiellen Verlauf hat.According to the Invention can as the time constant of the braked rotor movement the Period from the time of commencement of braking or phase-out until the date on which the motor current is about 37% of the value at the beginning of the brake respectively Has reached the phasing-out phase. The definition of the time constant this value is possible because the speed of the rotor and also the motor current is an approximately exponential Course has.

Nachstehend soll nun erläutert werden, warum die Berechnung der Anzahl der Stromspitzen aus der Zeitkonstanten und der Zeitspanne zwischen zwei Stromspitzen unmittelbar vor dem Beginn der Bremsphase möglich ist.below will now be explained why the calculation of the number the current peaks from the time constant and the time span between Two current peaks possible immediately before the start of the braking phase is.

Die Winkelgeschwindigkeit des Rotors ω(t) hat während der Brems- beziehungsweise Auslaufphase einen annähernd exponentiellen Verlauf nach der folgenden Gleichung:

Figure 00030001
The angular velocity of the rotor ω (t) during the deceleration phase has an approximately exponential course according to the following equation:
Figure 00030001

Aus der Winkelgeschwindigkeit ω(t) kann der während der Brems- beziehungsweise Auslaufphase zurückgelegte Winkel φ(t) durch Integration bestimmt werden.Out the angular velocity ω (t) can be during the braking or deceleration phase covered angle φ (t) be determined by integration.

Figure 00040001
Figure 00040001

Der während der Stop-Phase zurückgelegte Winkel φBREMS beträgt demnach, wie sich durch Einsetzen der oberen und unteren Grenze in die Stammfunktion zeigen lässt:

Figure 00040002
The angle φ BREMS traveled during the stop phase is therefore, as can be shown by inserting the upper and lower limit into the parent function:
Figure 00040002

Als Formelzeichen wurden verwendet:

ωSTOP:
Anfangswert der Drehgeschwindigkeit zu Beginn der Bremsphase,
tSTOP:
Zeitpunkt des Beginns der Bremsphase,
tEND:
Zeitpunkt des Stillstandes des Rotors.
The following symbols were used:
ω STOP :
Initial value of the rotational speed at the beginning of the braking phase,
t STOP :
Time of the beginning of the braking phase,
t END :
Time of stoppage of the rotor.

Eine Vernachlässigung des in den Klammern stehenden Terms in Gleichung (6) ist möglich, da davon ausgegangen wird, dass die Bremsphase ca. 5 τ andauert und somit der Anteil des exponentialen Terms vernachlässigt werden darf.A Neglecting the parenthesized term in Equation (6) is possible because it is assumed that the braking phase lasts about 5 τ and thus the proportion of exponential terms may be neglected.

Da der in den Klammern der Gleichung (6) stehende Term näherungsweise 1 ist vereinfacht sich die Gleichung (6) zur folgenden Gleichung: φBREMS = ωSTOP·τ (7) Since the term in the parentheses of equation (6) is approximately 1, equation (6) simplifies to the following equation: φ BRAKE = ω STOP · Τ (7)

Zur Ermittlung des zurückgelegten Drehwinkels φBREMS während der Brems- beziehungsweise Auslaufphase aus der Gleichung (6) müssen die in Gleichung (6) angegebenen Parameter ωSTOP, tSTOP, tEND und τ bekannt sein.In equation parameters specified (6) ω STOP need to determine the distance covered rotational angle φ BRAKE during braking or discharge phase from the equation (6), t STOP, END t and τ be known.

Die gesamte Betriebszeit des Motors während der Auslaufphase Δt = tEND – tSTOP kann mit Hilfe eines Sensors bestimmt werden. Dazu wird die Zeit vom Beginn der Bremsphase bis zu dem Zeitpunkt, an dem der Motor stehen bleibt, gemessen. Es wird jedoch noch gezeigt werden, dass man auf diese Messung verzichten kann.The total operating time of the motor during the phase-out phase Δt = t END -t STOP can be determined with the aid of a sensor. For this purpose, the time from the beginning of the braking phase to the time at which the engine stops, is measured. However, it will still be shown that one can do without this measurement.

Der Anfangswert der Drehwinkelgeschwindigkeit zu Beginn der Bremsphase lässt sich ermitteln aus der folgenden Gleichung:

Figure 00050001
wobei p die Anzahl der Statorlamellen ist.The initial value of the rotational angular velocity at the beginning of the braking phase can be determined from the following equation:
Figure 00050001
where p is the number of stator blades.

Zur Bestimmung der Zeitkonstanten τ kann die Zeitdifferenz zwischen dem Beginn der Bremsphase und dem Zeitpunkt in dem die Motordrehzahl auf ca. 37% des Anfangswerts abgesunken ist gemessen werden. Die 37% des Anfangswertes ergeben sich aus der angenommenen e-Funktion.to Determining the time constant τ can be the time difference between the beginning of the braking phase and the time in which the Engine speed has dropped to approximately 37% of the initial value is measured become. The 37% of the initial value result from the assumed exponential function.

Eine weitere Möglichkeit zur Ermittlung der Zeitkonstanten τ stellt die direkte Analyse des Motorstroms dar. Durch eine Betrachtung eines Modells für die Winkelgeschwindigkeit und den Motorstrom im Frequenzbereich (Laplace-Transformation) kann gezeigt werden, dass die Übertragungsfunktionen für die Winkelgeschwindigkeit und den Motorstrom gleiche Verzögerungszeiten haben, die der Zeitkonstanten der Drehwinkelgeschwindigkeit und des Motorstroms im Zeitbereich entsprechen. Daher kann als Zeitkonstante für die Drehwinkelgeschwindigkeit die Zeitkonstante des Motorstroms verwendet werden, der einfach zu erfassen ist.A Another possibility for determining the time constant τ represents the direct analysis of the motor current. By a consideration a model for the angular velocity and the motor current in the frequency domain (Laplace transform) can be shown that the transfer functions for the angular velocity and the motor current have same delay times, the the time constants of the angular velocity and the motor current in the time domain. Therefore, as a time constant for the angular velocity the time constant of the motor current used, which is easy to grasp.

Zur Bestimmung von τ kann der Zeitabschnitt zwischen dem Beginn der Brems- beziehungsweise Auslaufphase und dem Zeitpunkt, an dem der Motorstrom auf ca. 37% des Motorstroms zu Anfang der Bremsphase abgesunken ist, gemessen werden.to Determination of τ can be the period of time between the beginning the braking or coasting phase and the time at which the motor current to approx. 37% of the motor current at the beginning of the braking phase has dropped, be measured.

Alternativ kann die Zeitkonstante dann bestimmt werden, wenn der Motorstrom 13,53% seines Anfangswerts beträgt. Das entspricht dann dem Zeitpunkt 2τ.alternative the time constant can then be determined when the motor current 13.53% of its initial value. That then corresponds the time 2τ.

Es ist alternativ auch möglich, die Zeitkonstante zu messen beziehungsweise zu ermitteln, indem man den Mittelwert der Zeitabschnitte vom Beginn der Bremsphase bis zu den Zeitpunkten bildet, in denen eine steigende und eine nachfolgende fallende Flanke des Motorstroms die 37%-Grenze des Motorstroms zu Anfang der Bremsphase unter- beziehungsweise überschreiten.It Alternatively, it is also possible to measure the time constant or determine by taking the mean of the time periods from the beginning of the braking phase to the times in which a rising and a subsequent falling edge of the motor current exceed or exceed the 37% limit of the motor current at the beginning of the braking phase.

Es lässt sich ferner verallgemeinern, dass der n-te Bruchteil der Zeitspanne als Zeitkonstante genommen wird, die vom Zeitpunkt des Beginns der Bremsphase bis zu dem Zeitpunkt vergeht, zu dem der Motorstrom ungefähr 37/n% des Wert zu Beginn der Bremsphase erreicht hat.It can also be generalized that the nth fraction the time span is taken as the time constant, the time of the beginning of the braking phase until the time passes, to the the motor current is approximately 37 / n% of the value at the beginning of the braking phase has reached.

Aus der Anzahl der Stromspitzen kann die Drehstellung φBREMS des Rotors beziehungsweise die Drehstellung der Antriebswelle des Motors aus der Anzahl p der Statorlamellen und der Anzahl der Stromspitzen NRIPPLE nach folgender Formel berechnet werden:

Figure 00060001
From the number of current peaks, the rotational position φ BRAKE of the rotor or the rotational position of the drive shaft of the motor can be calculated from the number p of the stator lamellae and the number of current peaks N RIPPLE according to the following formula:
Figure 00060001

Das erfindungsgemäße Verfahren kann mittels einer nach Anspruch 6 eingerichteten Vorrichtung vorgenommen werden. Eine derartige Einrichtung kann verschiedene Messmittel beispielsweise zum Messen der Zeitspanne zwischen zwei Stromspitzen unmittelbar vor Beginn der Bremsphase zum Messen der Zeitkonstanten für die gebremste Motorbewegung beziehungsweise den abklingenden Motorstrom aufweisen.The inventive method can by means of a made according to claim 6 device. A Such device may be different measuring means, for example to measure the time between two current spikes immediately before the start of the braking phase to measure the time constants for the braked motor movement or the decaying motor current exhibit.

Außerdem können Messmittel zum Messen des Motorstroms vorgesehen sein. Mittels eines Berechnungsmittels kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung die Anzahl der Stromspitzen beziehungsweise die Drehstellung φBREMS berechnet.In addition, measuring means for measuring the motor current can be provided. By means of a calculation means, a device according to the invention calculates the number of current peaks or the rotational position φ BREMS .

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - DE 19834108 C2 [0003] - DE 19834108 C2 [0003]

Claims (9)

Verfahren zur Bestimmung der Drehstellung (φBrems) einer Antriebswelle eines Gleichstrommotors in der Auslauf- bzw. Bremsphase, wobei die Drehstellung (φBrems) aus einer Anzahl (NRipple_Brems) von bei der Drehung eines Rotors des Gleichstrommotors in der Bremsphase durch den Übergang von Bürsten von einer Statorlamelle zur anderen entstehenden Stromspitzen, auch als Ripple bezeichnet, ermittelt wird dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Stromspitzen (NRipple_Brems) sich aus einer Zeitkonstanten (τ) der gebremsten Rotorbewegung und einer Zeitspanne (TRipple_Stop) zwischen zwei Stromspitzen unmittelbar vor Beginn der Bremsphase nach folgender Formel berechnet:
Figure 00080001
A method for determining the rotational position (φ brake ) of a drive shaft of a DC motor in the coasting or braking phase, wherein the rotational position (φ brake ) of a number (N Ripple_Brems ) of the rotation of a rotor of the DC motor in the braking phase by the transition of Brushes from one stator to the other resulting current spikes, also referred to as Ripple determined is characterized in that the number of current spikes (N Ripple_Brems ) from a time constant (τ) of the braked rotor movement and a time period (T Ripple_Stop ) between two current spikes immediately before Start of the braking phase calculated according to the following formula:
Figure 00080001
 Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Zeitkonstante (τ) der gebremsten Rotorbewegung die Zeitspanne genommen wird, die vom Zeitpunkt des Beginns der Bremsphase bis zum dem Zeitpunkt vergeht, zu dem der Motorstrom IA ungefähr 37% des Werts zum Beginn der Bremsphase erreicht hat.Method according to Claim 1, characterized in that the time constant (τ) of the braked rotor movement is taken to be the time which elapses from the time of commencement of the braking phase until the time at which the motor current I A is approximately 37% of the value at the beginning of the braking phase has reached. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Zeitkonstante (τ) der gebremsten Rotorbewegung den n-ten Bruchteil der Zeitspanne genommen wird, die vom Zeitpunkt des Beginns der Bremsphase bis zum dem Zeitpunkt vergeht, zu dem der Motorstrom IA ungefähr
Figure 00080002
des Werts zum Beginn der Bremsphase erreicht hat.Method according to claim 1 or 2, characterized in that the time constant (τ) of the braked rotor movement is taken to be the nth fraction of the time interval which passes from the time of commencement of the braking phase until the instant at which the motor current I A is approximately equal
Figure 00080002
has reached the value at the beginning of the braking phase. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Zeitkonstante (τ) der gebremsten Rotorbewegung den Mittelwert der n-ten Bruchteile der Zeitspannen genommen wird, die vom Zeitpunkt des Beginns der Bremsphase bis zum dem Zeitpunkt vergehen, zu dem der Motorstrom IA ungefähr
Figure 00090001
es Werts zum Beginn der Bremsphase zum einen bei einer steigenden Flanke und zum anderen bei einer fallenden Flanke erreicht hat.A method according to claim 1, characterized in that is taken as the time constant (τ) of the braked rotor movement, the average of the n-th fractions of the periods which pass from the time of the beginning of the braking phase until the time at which the motor current I A approximately
Figure 00090001
it has achieved value at the beginning of the braking phase, on the one hand with a rising edge and on the other with a falling edge. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehstellung (φBrems) des Rotors bzw. die Drehstellung der Antriebswelle aus der Anzahl (p) der Statorlamellen und der Anzahl der Stromspitzen (NRipple_Brems) nach folgender Formel berechnet wird:
Figure 00090002
Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the rotational position (φ brake ) of the rotor or the rotational position of the drive shaft from the number (p) of the stator blades and the number of current spikes (N Ripple_Brems ) is calculated according to the following formula:
Figure 00090002
 Vorrichtung zur Bestimmung der Drehstellung (φBrems) einer Antriebswelle eines Gleichstrommotors in der Auslauf- bzw. Bremsphase, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 geeignet und eingerichtet ist.Device for determining the rotational position (φ brake ) of a drive shaft of a DC motor in the coasting or braking phase, characterized in that the device is suitable for implementing the method according to one of claims 1 to 5 and set up. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Messmittel zum Messen der Zeitspanne (NRipple_Stop) zwischen zwei Stromspitzen unmittelbar vor Beginn der Bremsphase und zum Messen der Zeitkonstanten (τ) der gebremsten Rotorbewegung aufweist.Apparatus according to claim 6, characterized in that the device comprises measuring means for measuring the time period (N ripple_Stop ) between two current peaks immediately before the start of the braking phase and for measuring the time constant (τ) of the braked rotor movement. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Messmittel zum Messen des Motorstrom aufweist.Device according to claim 6 or 7, characterized in that the device has measuring means for measuring the motor current. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Berechnungsmittel aufweist, um die Anzahl der Stromspitzen (NRipple_Brems) und/oder die Drehstellung (φBrems) zu berechnen.Device according to one of claims 6 to 8, characterized in that said calculating means to calculate the number of current peaks (N Ripple_Brems) and / or the rotation position (φ brake).
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