DE102008015717A1

DE102008015717A1 - Schaltungsanordnung zum sensorlosen Betreiben eines Universalmotors eines Hausgeräts und entsprechendes Verfahren

Info

Publication number: DE102008015717A1
Application number: DE102008015717A
Authority: DE
Inventors: Alfred Binder; Hans-Wilhelm Klein
Original assignee: BSH Bosch und Siemens Hausgeraete GmbH
Current assignee: BSH Hausgeraete GmbH
Priority date: 2008-03-26
Filing date: 2008-03-26
Publication date: 2009-10-08
Also published as: WO2009118299A3; WO2009118299A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung (10) zum Betreiben eines zum Antreiben einer Trommel eines Hausgeräts zur Pflege von Wäschestücken ausgebildeten Universalmotors (11), bei welcher der Universalmotor (11) einen mindestens eine Feldwicklung (12) aufweisenden Stator und einen rotatorisch bewegbar gelagerten Rotor (13) umfasst, welcher eine mit der mindestens einen Feldwicklung (12) über eine Kommutiereinrichtung gekoppelte Rotorwicklung aufweist, wobei zwischen einem ersten und einem zweiten Anschlusspol (14, 15) des Universalmotors (11) die Feldwicklung (12) und die Rotorwicklung angeordnet sind, und mit einer Elektronikeinheit (18), die eine Steuer- und/oder Regeleinheit (19) aufweist, welche zum Erfassen einer Drehzahl (n) des Universalmotors (11) ausgebildet ist, wobei die Elektronikeinheit (18) eine Spannungserfassungseinheit (59) zum Erfassen einer an der Rotorwicklung abfallenden elektrischen Rotorspannung aufweist und die Steuer- und/oder Regeleinheit (19) zum Bestimmen der Drehzahl (n) des Universalmotors (11) in Abhängigkeit der Rotorspannung ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben eines zum Antreiben einer Trommel eines Hausgeräts zur Pflege von Wäschestücken ausgebildeten Universalmotors, bei welcher der Universalmotor einen mindestens eine Feldwicklung aufweisenden Stator und einen rotatorisch bewegbar gelagerten Rotor umfasst, welcher eine mit der mindestens einen Feldwicklung über eine Kommutiereinrichtung gekoppelte Rotorwicklung aufweist, wobei zwischen einem ersten und einem zweiten Anschlusspol des Universalmotors die Feldwicklung und die Rotorwicklung angeordnet sind, und mit einer Elektronikeinheit, die eine Steuer- und/oder Regeleinheit aufweist, welche zum Erfassen einer Drehzahl des Universalmotors ausgebildet ist. Überdies betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben eines zum Antreiben einer Trommel eines Hausgeräts zur Pflege von Wäschestücken ausgebildeten Universalmotors.
Derartige Schaltungsanordnungen sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Bei diesen bekannten Schaltungsanordnungen, welche in Hausgeräten zur Pflege von Wäschestücken eingesetzt werden, wird eine Trommel mittels eines Universalmotors angetrieben. Der Universalmotor umfasst dabei in bekannter Weise einen Stator, an welchem üblicherweise eine Feldwicklung angeordnet ist, sowie einen Rotor, welcher bezüglich des Stators rotatorisch bewegbar gelagert ist. Der Rotor des Universalmotors weist dabei in der Regel eine Rotorwicklung, welche über eine Kommutiereinrichtung, insbesondere einen Kommutator und ein Bürstensystem, mit der Feldwicklung des Stators gekoppelt ist. Die bekannten Schaltungsanordnungen weisen darüber hinaus üblicherweise eine Elektronikeinheit auf, welche weiterhin eine Steuer- und/oder Regeleinheit umfasst. Die Steuer- und/oder Regeleinheit hat dabei die Aufgabe, eine Drehzahl des Universalmotors (eine Ist-Drehzahl) zu erfassen, und in Abhängigkeit der erfassten Drehzahl das Drehzahlverhalten des Universalmotors zu regeln.
Bei Hausgeräten zur Pflege von Wäschestücken werden an die Schaltungsanordnungen, und insbesondere an die Universalmotoren, verhältnismäßig große Anforderungen im Hinblick auf das Drehzahlverhalten gestellt. So muss ein Universalmotor in der Lage sein, sowohl niedrigere Drehzahlbereiche bei einem Waschbetrieb als auch höhere Drehzahlbereiche bei einem Schleuderbetrieb abzudecken. Um ein befriedigendes Waschergebnis zu gewährleisten, muss sichergestellt werden, dass die Drehzahl, insbesondere im Waschbetrieb, ein stabiles Verhalten aufweist, und keine kritische Abweichung der Drehzahl von einer vordefinierten Soll-Drehzahl auftritt. Dabei ist ein Fallweg der Wäschestücke innerhalb der Trommel und damit der mechanische Reinigungseffekt von einer Geschwindigkeit, also der Drehzahl der Trommel, abhängig. Darüber hinaus muss bei den Schaltungsanordnungen zum Betreiben von Universalmotoren berücksichtigt werden, dass für unterschiedliche Beladungszustände der Trommel unterschiedliche Anlaufmomente des Universalmotors erforderlich sind. Eine weitere Anforderung ist damit verbunden, dass relativ große Momentenpendelungen im Waschbetrieb, welche auf ein Anheben und Fallen der Wäschestücke innerhalb der Trommel zurückzuführen sind, geregelt werden müssen. Demzufolge muss eine Möglichkeit eingeräumt werden, eine durch die herabfallenden Wäschestücke bzw. durch eine Verteilung der Wäschestücke innerhalb der Trommel bewirkte Unwucht bei einer bestimmten Drehzahl zu erfassen. Die erfasste Unwucht kann dann zum Regeln des Drehzahlverhaltens des Universalmotors herangezogen werden.
Um eine Ist-Drehzahl eines sich im Betrieb befindlichen Universalmotors zu erfassen, werden im Stand der Technik Drehzahlsensoren, wie beispielsweise Wechselspannungsgeneratoren in Form von Tachoeinrichtungen, oder Magnetfelddetektoren, wie insbesondere Hall-Sensoren, zur Abtastung eines mit einer Welle des Universalmotors verbundenen Magnetrades, benutzt. Dabei wird in den meisten Fällen eine Frequenz oder eine Periodendauer des erzeugten drehzahlproportionalen Signals als Regelgröße zum Regeln des Drehzahlverhaltens des Universalmotors genutzt. Die meisten aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen erfordern also einen Sensor, üblicherweise eine Tachoeinrichtung, sowie darüber hinaus eine Verbindungsleitung zwischen dem Sensor und einer Drehzahl-Regeleinrichtung, wodurch eine relativ aufwändige und teure Schaltungsanordnung geschaffen wird. Eine aus dem Stand der Technik bekannte Schaltungsanordnung einschließlich einer Tachoeinrichtung zum Erfassen der Ist-Drehzahl eines Universalmotors eines Hausgeräts zur Pflege von Wäschestücken ist in 1 dargestellt. Bei dieser bekannten Schaltungsanordnung 1 umfasst der Universalmotor einen eine Feldwicklung 2 aufweisenden Stator sowie einen Rotor, dessen Rotorwicklung über einen Kommutator und ein Bürstensystem 3 mit der Feldwicklung 2 des Stators gekoppelt ist. Die Schaltungsanordnung 1 umfasst dabei ferner eine Elektronikeinheit 4, welche zum Regeln eines Drehzahlverhaltens des Universalmotors ausgebildet ist. Hierzu umfasst die Schaltungsanordnung 1 überdies eine Tachoeinrichtung 5, welche zum Erzeugen von drehzahlproportionalen Signalen ausgebildet und mit der Elektronikeinheit 4 gekoppelt ist. Darüber hinaus weist die Elektronikeinheit 4 einen Triac 6 auf, mittels welchem ein durch den Universalmotor fließender Strom regelbar ist. Eine Änderung einer Drehrichtung des Universalmotors kann dabei mittels einer Schaltereinrichtung 7 durchgeführt werden.
Aus Kostengründen werden im Stand der Technik Schaltungsanordnungen und Verfahren vorgeschlagen, bei welchen Maßnahmen getroffen sind, die gewährleisten, dass ein sensorloses, insbesondere ein tacholoses, Betreiben eines Universalmotors ermöglicht wird. So offenbart die Druckschrift US 2003/0128003 A1 ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum sensorlosen Betreiben eines elektrischen Motors, bei welchen mittels einer Stromerfassungseinrichtung ein über den Motor fließender Strom erfasst und in Abhängigkeit des erfassten Stroms eine Drehzahl des Motors bestimmt wird. Hierzu wird eine an der in Reihe mit dem Motor geschalteten Stromerfassungseinrichtung abfallende Spannung mittels eines Hochpassfilters gefiltert und hochfrequente Anteile dieser Spannung ausgewertet. Aus einer Frequenz von in dem hochfrequenten Verlauf der Spannung auftretenden Impulsen wird dann direkt auf die momentane Drehzahl des Motors geschlossen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Schaltungsanordnung sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Universalmotors eines Hausgeräts zur Pflege von Wäschestücken zu schaffen, bei welcher bzw. mit welchem mit wenig Aufwand Maßnahmen getroffen sind, die eine sensorlose Regelung eines Drehzahlverhaltens des Universalmotors gewährleisten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen nach Patentanspruch 1, sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 16, gelöst.
Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Bei einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum Betreiben eines zum Antreiben einer Trommel eines Hausgeräts zur Pflege von Wäschestücken ausgebildeten Universalmotors umfasst der Universalmotor einen mindestens eine Feldwicklung aufweisenden Stator und einen rotatorisch bewegbar gelagerten Rotor. Dabei weist der Rotor eine mit der mindestens einen Feldwicklung über eine Kommutiereinrichtung gekoppelte Rotorwicklung auf, wobei zwischen einem ersten und einem zweiten Anschlusspol des Universalmotors die Feldwicklung und die Rotorwicklung angeordnet sind. Die Schaltungsanordnung umfasst ferner eine Elektronikeinheit, die eine Steuer- und/oder Regeleinheit aufweist, welche zum Erfassen einer Drehzahl des Universalmotors ausgebildet ist. Erfindungsgemäß weist die Elektronikeinheit eine Spannungserfassungseinheit zum Erfassen einer an der Rotorwicklung abfallenden elektrischen Rotorspannung auf, wobei die Steuer- und/oder Regeleinheit zum Bestimmen der Drehzahl des Universalmotors in Abhängigkeit der Rotorspannung ausgebildet ist.
Unter dem Begriff Hausgerät wird hier insbesondere eine Waschmaschine, ein Trockner oder ein Waschtrockner verstanden.
Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht mit anderen Worten darin, dass eine mittels einer Spannungserfassungseinheit erfassbare, an der Rotorwicklung des Rotors abfallende elektrische Rotorspannung ausgewertet wird, und die Drehzahl des Universalmotors in Abhängigkeit der Rotorspannung bestimmt wird. Unter der Rotorspannung wird hier insbesondere eine Spannung verstanden, welche an der Rotorwicklung und darüber hinaus an der Kommutiereinrichtung abfällt bzw. anliegt. Die Kommutiereinrichtung weist dabei vorzugsweise einen Kommutator sowie ein Bürstensystem auf. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einem Universalmotor die Rotorspannung jederzeit zugänglich ist, was in der Regel beispielsweise zur Realisierung einer im Hausgerät notwendigen Umschaltung einer Drehrichtung des Universalmotors ausgenutzt wird. Die durch die Auswertung der Rotorspannung gewonnene Drehzahl wird insbesondere zum Regeln des Drehzahlverhaltens des Universalmotors herangezogen.
Mit anderen Worten liegt der Erfindung eine Überlegung zugrunde, dass bei einer ersten rotatorischen Bewegung des Rotors durch einen Wechsel von Lamellen der Kommutiereinrichtung, insbesondere eines Kommutators, unter Bürsten abwechselnd je nach Stellung des Rotors eine unterschiedliche Anzahl von Spulen der Rotorwicklung kurzgeschlossen wird. Dieses führt zu einer wechselnden Verformung der Rotorspannung gegenüber einer Form im Stillstand. Diese Veränderung der Form der Rotorspannung kann mittels der Steuer- und/oder Regeleinheit detektiert und dazu benutzt werden, die Drehzahl des Universalmotors zu bestimmen. In vorteilhafter Weise wird durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung erreicht, dass die Drehzahl des Universalmotors auf technisch aufwandsarme Weise exakt bestimmt werden kann. Dadurch, dass kein Sensor zum Erfassen der Drehzahl notwendig ist, wird dabei eine kostenreduzierte sowie eine bauteilreduzierte Schaltungsanordnung geschaffen. Überdies wird durch das Auswerten der Rotorspannung, und nicht beispielsweise des Motorstroms, im Hinblick auf eine zuverlässige Regelung des Drehzahlverhaltens des Universalmotors erreicht, dass die Drehzahl genauer direkt an dem Rotor erfasst werden kann. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zeigt sich insbesondere in einem Anlaufbereich der Drehzahl sowie in niedrigeren Drehzahlbereichen, insbesondere im Waschbetrieb, besonders vorteilhaft.
In einer Ausführungsform umfasst die Spannungserfassungseinheit einen ersten Spannungsteil, dessen Spannungserfassungspol über einen ersten Ohmschen Widerstand mit einem der Feldwicklung des Stators zugewandten ersten Rotoranschlusspol der Rotorwicklung und über einen zweiten Ohmschen Widerstand mit einem den zweiten Anschlusspol des Universalmotors definierenden zweiten Rotoranschlusspol der Rotorwicklung gekoppelt ist. Insbesondere ist zwischen dem der Feldwicklung des Stators zugewandten ersten Rotoranschlusspol der Rotorwicklung und dem den zweiten Anschlusspol des Universalmotors definierenden zweiten Rotoranschlusspol der Rotorwicklung außer der Rotorwicklung auch die Kommutiereinrichtung, insbesondere mit einem Kommutator und einem Bürstensystem, angeordnet. Durch den ersten Spannungsteil wird gewährleistet, dass die zwischen dem ersten und dem zweiten Rotoranschlusspol abfallende Rotorspannung auf technisch aufwandsarme Weise und besonders zuverlässig erfasst werden kann. Die Widerstandswerte des ersten und des zweiten Ohmschen Widerstands des ersten Spannungsteilers sind insbesondere gegenüber den Impedanzen der Feldwicklung und der Rotorwicklung des Universalmotors hochohmig ausgebildet, so dass gewährleistet wird, dass Zusatzverluste sowie zusätzliche über einen mit dem Universalmotor in Reihe geschalteten Stromerfassungswiderstand (Shunt) fließende Ströme vernachlässigt werden können. Da zwischen dem ersten und dem zweiten Rotoranschlusspol auch insbesondere die Kommutiereinrichtung angeordnet ist, wird sichergestellt, dass bei einem Drehen des Rotors ein impulsförmiger Verlauf der Rotorspannung erkannt und im Hinblick auf die Regelung des Drehzahlverhaltens des Universalmotors ausgewertet werden kann.
Vorzugsweise ist die Spannungserfassungseinheit zum Erfassen einer an der Feldwicklung und der Rotorwicklung zwischen dem ersten und dem zweiten Anschlusspol des Universalmotors abfallenden Referenzspannung ausgebildet, wobei die Steuer- und/oder Regeleinheit zum Ermitteln der Drehzahl in Abhängigkeit einer Differenz der Rotorspannung und der Referenzspannung ausgebildet ist. Indem eine Differenzspannung aus der Rotorspannung und der am Universalmotor abfallenden Referenzspannung gebildet wird, können die bei einem Drehen des Rotors durch den Lamellenwechsel der Kommutiereinrichtung bewirkten nadelförmigen Impulse, die der Rotorspannung überlagert sind, im Verlauf der Differenzspannung besser erkannt und die Drehzahl des Universalmotors zuverlässiger erfasst werden.
In einer Ausführungsform umfasst die Spannungserfassungseinheit einen zweiten Spannungsteiler zum Erfassen der Referenzspannung, dessen Spannungserfassungspol über einen dritten Ohmschen Widerstand mit dem der Feldwicklung zugewandten ersten Anschlusspol des Universalmotors und über einen vierten Ohmschen Widerstand mit dem der Rotorwicklung zugewandten zweiten Anschlusspol des Universalmotors gekoppelt ist. Insbesondere wird durch den zweiten Spannungsteiler die am Universalmotor abfallende elektrische Spannung, die Referenzspannung, erfasst. Durch Einsatz des zweiten Spannungsteilers wird überdies gewährleistet, dass die Referenzspannung auf einfache und zuverlässige Weise erfasst werden kann. Vorzugsweise sind die Widerstandswerte des dritten und des vierten Ohmschen Widerstands gegenüber den Impedanzen der Rotorwicklung und der Feldwicklung des Universalmotors hochohmig ausgebildet, so dass Zusatzverluste sowie zusätzliche über einen mit dem Universalmotor in Reihe geschalteten Stromerfassungswiderstand fließende Ströme vernachlässigbar sind.
Bevorzugt ist der Spannungserfassungseinheit ein Schaltungsteil zugeordnet, welcher zum Bestimmen einer Differenzspannung zwischen der Rotorspannung und einer an der Feldwicklung und der Rotorwicklung zwischen dem ersten und dem zweiten Anschlusspol des Universalmotors abfallenden Referenzspannung ausgebildet ist. Insbesondere umfasst der Schaltungsteil einen Komparator, bevorzugt einen Schmitt-Trigger, oder einen Doppelkomparator in Form eines so genannten Fensterkomparators, um damit Impulse bzw. Impulsnadeln, die gegenüber der Referenzspannung sowohl mit positiver als mit negativer Amplitude auftreten können, besser zu erfassen. Insbesondere wird mittels des Komparators oder des Doppelkomparators die Differenzspannung zwischen der Rotorspannung und der Referenzspannung erzeugt. Hierzu kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Schaltungsteil mit dem ersten und dem zweiten Spannungsteiler, insbesondere mit dem Spannungserfassungspol des ersten Spannungsteilers und dem Spannungserfassungspol des zweiten Spannungsteilers gekoppelt ist. Vorzugsweise ist der Schaltungsteil mit der Steuer- und/oder Regeleinheit gekoppelt. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass aus der bei einem Drehen des Universalmotors impulsförmigen Differenzspannung die Impulse mittels des Schaltungsteils derart umgeformt werden, dass diese durch die Steuer- und/oder Regeleinheit in vorgebbaren Zeitfenstern gezählt werden können und hiermit als eine zur Drehzahl des Rotors proportionale Größe mittels der Steuer- und/oder Regeleinheit ausgewertet werden können, und als eine Regelgröße das Drehzahlverhalten des Universalmotors störgrößenvermindernd beeinflussen können. Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass der Schaltungsteil eine Filtereinheit umfasst, mittels welcher eine Verschiebung und/oder eine Begrenzung der Differenzspannung durchführbar ist. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass die Spannungswerte der Differenzspannung auf zulässige Eingangsbereiche der Steuer- und/oder Regeleinheit angepasst werden können. Mittels der Filtereinheit werden insbesondere kurzzeitige, im Verlauf der Differenzspannung auftretende Störungen, die beispielsweise durch so genanntes Bürstenprellen entstehen können, jedoch eine kürzere Zeitdauer als die im Verlauf der Differenzspannung auftretenden Impulse bzw. Nadelimpulse aufweisen, unterdrückt. Durch die Filtereinheit des Schaltungsteils wird überdies gewährleistet, dass der zur Differenzbildung ausgebildete Komparator gegen Störsignale geschützt werden kann.
In einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Elektronikeinheit eine Schalteinheit mit einem elektronischen Schaltelement, insbesondere einem Triac, aufweist, welches mit dem Universalmotor gekoppelt, insbesondere in Reihe geschaltet, ist, und mittels welchem ein über die Feldwicklung und die Rotorwicklung fließender Motorstrom regelbar ist. Insbesondere wird der Universalmotor mit Wechselspannung durch eine Phasenanschnittsteuerung betrieben. Um im Falle eines gesperrten Triacs hohe Spannungen an der Feldwicklung sowie an der Rotorwicklung bzw. hohe Potentialwerte an dem ersten und dem zweiten Anschlusspol des Universalmotors und somit hohe Spannungen an dem ersten und dem zweiten Spannungsteiler zu vermeiden, kann vorgesehen sein, dass das elektronische Schaltelement, insbesondere der Triac, an den ersten Anschlusspol des Universalmotors angeschlossen ist, welcher einem einem Netzpotential und nicht einem Neutralpotential eines Versorgungsnetzes zugewandten ersten Anschluss eines Eingangs der Schaltungsanordnung zugewandt ist.
Vorzugsweise ist ein Steueranschluss des elektronischen Schaltelements mit einem optischen Schaltelement, insbesondere einem Opto-Triac, gekoppelt, welches von der Steuer- und/oder Regeleinheit galvanisch entkoppelt ansteuerbar ist. Insbesondere ist der Steueranschluss des elektronischen Schaltelements mit einer ersten Anschlusselektrode des optischen Schaltelements gekoppelt, wobei eine zweite Anschlusselektrode des optischen Schaltelements bevorzugt mit einem einem Netzpotential eines Versorgungsnetzes zugewandten ersten Anschluss eines Eingangs der Schaltungsanordnung gekoppelt ist.
In einer Ausführungsform weist die Schalteinheit einen Ohmschen Stromerfassungswiderstand (Shunt) auf, welcher mit dem elektronischen Schaltelement in Reihe geschaltet ist, wobei zwischen dem Stromerfassungswiderstand und dem Schaltelement ein Stromerfassungspol ausgebildet ist, welcher mit der Steuer- und/oder Regeleinheit gekoppelt ist. Vorzugsweise ist der Stromerfassungspol mit der Steuer- und/oder Regeleinheit über einen Verstärker gekoppelt. Durch den Stromerfassungswiderstand und den zwischen dem Stromerfassungswiderstand und dem Universalmotor ausgebildeten und mit der Steuer- und/oder Regeleinheit gekoppelten Stromerfassungspol wird sichergestellt, dass der über den Universalmotor fließende Motorstrom erfasst und über den Verstärker an einen Eingang der Steuer- und/oder Regeleinheit angepasst und mittels der Steuer- und/oder Regeleinheit ausgewertet werden kann. Insbesondere ist die Steuer- und/oder Regeleinheit in der Lage, eine Stromflussdauer zu erfassen, da aufgrund von Induktivitäten der Rotorwicklung und der Feldwicklung der Motorstrom einer Netzspannung nacheilt und das elektronische Schaltelement, insbesondere der Triac, erst nach einem Nulldurchgang der Netzspannung durch unterschreiten seines Haltestroms ausschaltet. Der Verstärker hat überdies insbesondere die Aufgabe einer Potentialverschiebung des am Stromerfassungswiderstand abgebildeten Wechselstromsignals, so dass der kleinste Signalwert an einem Ausgang des Verstärkers innerhalb eines zulässigen Spannungsbereichs der Steuer- und/oder Regeleinheit liegt.
Bevorzugt weist die Schaltungsanordnung ein Netzfilter (EMV-Filter) auf, welches mit einem Eingang der Schaltungsanordnung gekoppelt ist. Durch das Netzfilter wird gewährleistet, dass Störsignale von Seiten der Schaltungsanordnung unterdrückt werden und in ein Versorgungsnetz, an welches die Schaltungsanordnung anschließbar ist, nicht übertragen werden.
In einer Ausführungsform ist eine Spannungsversorgung mit einem Eingang der Schaltungsanordnung gekoppelt, wobei die Spannungsversorgung mit der Steuer- und/oder Regeleinheit zur Energieversorgung gekoppelt ist.
Vorzugsweise ist die Steuer- und/oder Regeleinheit mit einem Eingang der Schaltungsanordnung über einen dritten Spannungsteiler gekoppelt und zum Erfassen einer an dem Eingang anliegenden Netzspannung ausgebildet. Insbesondere umfasst der dritte Spannungsteiler einen Spannungserfassungspol, welcher über einen fünften Ohmschen Widerstand mit einem ersten Anschluss des Eingangs der Schaltungsanordnung und über einen sechsten Ohmschen Widerstand mit einem zweiten Anschluss des Eingangs der Schaltungsanordnung gekoppelt ist. Der Spannungserfassungspol des dritten Spannungsteilers ist bevorzugt mit mindestens einem Eingang der Steuer- und/oder Regeleinheit gekoppelt. Hierdurch wird erreicht, dass eine Netzspannung eines Versorgungsnetzes bzw. eine an dem Eingang der Schaltungsanordnung anliegende Netzspannung in einer für die Steuer- und/oder Regeleinheit verträglichen Form mittels der Steuer- und/oder Regeleinheit abgebildet werden kann. Insbesondere werden mittels der Steuer- und/oder Regeleinheit Nulldurchgänge sowie eine Amplitude der Netzspannung erfasst, so dass eine Netzspannungsvorregelung mittels eines Reglers, beispielsweise bei der Phasenanschnittsteuerung des elektronischen Schaltelements, insbesondere des Triacs, vorgenommen werden kann, wobei die Verlustleistung reduziert und die Ansprechgeschwindigkeit der Regelung erhöht werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuer- und/oder Regeleinheit dazu ausgebildet ist, eine Anzahl von Impulsen bzw. von Impuls-Nadeln der Rotorspannung oder einer daraus gewonnenen Differenzspannung innerhalb eines einer Stromflussdauer entsprechenden Zeitintervalls zu detektieren und eine Frequenz f der Impulse bzw. der Impuls-Nadeln zu bestimmen. Vorzugsweise ist die Drehzahl des Universalmotors in Abhängigkeit der bestimmten Frequenz f der Impulse bzw. der Impuls-Nadeln sowie einer Anzahl z_lam von Lamellen der Kommutiereinrichtung, insbesondere eines Kommutators der Kommutiereinrichtung, durch die Steuer- und/oder Regeleinheit ermittelbar. Insbesondere werden die Impulse im Verlauf der Rotorspannung oder der Differenzspannung innerhalb des Zeitintervalls mit einer Stromflussdauer t_i pro einer Halbwelle, welche insbesondere über die Schalteinheit mit dem Stromerfassungswiderstand mittels der Steuer- und/oder Regeleinheit ermittelt wird, gezählt. Die Frequenz f der Impulse ergibt sich vorzugsweise aus einem Quotienten aus der Anzahl z der Impulse und der Dauer t_i des Zeitintervalls. Eine Drehzahl n des Universalmotors wird dann bevorzugt aus der Frequenz f der Impulse und der Anzahl Z_lam der Lamellen ermittelt:
Im Falle, dass in erster Näherung eine quasi konstante Drehzahl des Rotors angenommen wird, kann insbesondere auch in einer Stromlücke, in welcher aufgrund eines fehlenden Stroms nicht gemessen werden kann, die gleiche Frequenz der Impulse angenommen werden. Hiermit kann die Frequenz der Impulse funktionell als eine abgetastete, gemittelte Größe angesehen werden. Um einen so genannten Jitter der pro einer Halbwelle ermittelten Impulse zu unterdrücken, kann vorgesehen sein, dass ein Mittelwert der Frequenz f der Impulse über mehrere Perioden der Netzspannung gebildet wird.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuer- und/oder Regeleinheit zum Auswerten einer durch den Rotor induzierten Gegenspannung und ab einer vorbestimmten Drehzahl, insbesondere ab einer Drehzahl von etwa 1200 Umdrehung pro Minute, bevorzugt ab einer Drehzahl von etwa 2400 Umdrehungen pro Minute, zum Ermitteln der Drehzahl in Abhängigkeit der Gegenspannung ausgebildet ist. Insbesondere in einem Schleuderbetrieb bei höheren Drehzahlen zeigt sich diese Ausführungsform besonders vorteilhaft. So kann die elektromotorische Kraft EMK (Gegenspannung) des Universalmotors ermittelt und direkt auf eine Leerlaufdrehzahl des Universalmotors zurückgeführt werden. Insbesondere ist die Gegenspannung erst ab einer bestimmten Drehzahl des Universalmotors erfassbar und lässt sich als eine geometrische Spannungssumme in Form der Rotorspannung erfassen. Um hierbei eine Stromabhängigkeit der Gegenspannung zu eliminieren, kann vorgesehen sein, dass gleichzeitig auch der über den Universalmotor fließende Motorstrom abgetastet wird. Unabhängig von einem Phasenwinkel zwischen der Rotorspannung und dem Motorstrom lässt sich eine genaue Beziehung zwischen einem Verhältnis der Rotorspannung zu dem Motorstrom und der Drehzahl des Universalmotors ermitteln. Insbesondere liegt ab einer bestimmten Drehzahl des Universalmotors, insbesondere ab einer Drehzahl von 1200 Umdrehungen pro Minute, ein weitgehend proportionales Verhalten zwischen der Drehzahl des Universalmotors und dem Quotienten aus der Motorspannung und dem Motorstrom vor. Hierdurch kann die Drehzahl des Universalmotors in höheren Bereichen der Drehzahl besonders zuverlässig erfasst werden.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines zum Antreiben einer Trommel eines Hausgeräts zur Pflege von Wäschestücken ausgebildeten Universalmotors umfasst der Universalmotors einen mindestens eine Feldwicklung aufweisenden Stator und einen rotatorisch bewegbar gelagerten Rotor, welcher eine mit der mindestens einen Feldwicklung über eine Kommutiereinrichtung gekoppelte Rotorwicklung aufweist. Dabei wird mittels einer Steuer- und/oder Regeleinheit einer Elektronikeinheit eine Drehzahl des Universalmotors erfasst. Ein Grundgedanke besteht darin, dass eine an der Rotorwicklung abfallende elektrische Rotorspannung mittels einer Spannungserfassungseinheit der Elektronikeinheit erfasst wird, und die Drehzahl des Universalmotors mittels der Steuer- und/oder Regeleinheit in Abhängigkeit der Rotorspannung bestimmt wird.
Bei dem Verfahren kann vorgesehen sein, dass die Rotorspannung mittels eines ersten Spannungsteilers der Spannungserfassungseinheit erfasst wird.
Vorzugsweise wird mittels der Spannungserfassungseinheit eine an der Feldwicklung und der Rotorwicklung zwischen einem ersten und einem zweiten Anschlusspol des Universalmotors abfallende Referenzspannung erfasst, wobei mittels der Steuer- und/oder Regeleinheit die Drehzahl in Abhängigkeit einer Differenz der Rotorspannung und der Referenzspannung ermittelt wird.
Bevorzugt wird die Referenzspannung mittels eines zweiten Spannungsteilers der Spannungserfassungseinheit erfasst.
Mittels der Steuer- und/oder Regeleinheit wird bevorzugt eine Anzahl von Impulsen der Rotorspannung oder einer daraus gewonnenen Differenzspannung innerhalb eines einer Stromflussdauer entsprechenden Zeitintervalls detektiert und eine Frequenz der Impulse bestimmt.
Bei dem Verfahren kann vorgesehen sein, dass die Drehzahl des Universalmotors in Abhängigkeit der bestimmten Frequenz der Impulse sowie einer Anzahl von Lamellen der Kommutiereinrichtung, insbesondere eines Kommutators der Kommutiereinrichtung, mittels der Steuer- und/oder Regeleinheit ermittelt und zur Drehzahlregelung verwendet wird.
Mittels der Steuer- und/oder Regeleinheit wird bevorzugt eine Kennfeldsteuerung mit Netzspannungsvorsteuerung durchgeführt, wobei ab einer vorbestimmten Drehzahl, insbesondere ab einer Drehzahl von 1200 U/min, bevorzugt ab einer Drehzahl von 2400 U/min, die Drehzahl in Abhängigkeit des Kennfelds gesteuert wird.
Bei dem Verfahren kann vorgesehen sein, dass mittels der Steuer- und/oder Regeleinheit eine im Rotor induzierte Gegenspannung ausgewertet wird, und ab einer vorbestimmten Drehzahl, insbesondere ab einer Drehzahl von etwa 1200 U/min, bevorzugt ab einer Drehzahl von etwa 2400 U/min, die Drehzahl in Abhängigkeit der Gegenspannung ermittelt und zur Drehzahlregelung verwendet wird.
Bevorzugt wird zur Drehzahlregelung ein Quotient der Gegenspannung und des Motorstroms als ein Ist-Wert der Drehzahl herangezogen.
In bevorzugter Weise kann vorgesehen sein, dass die Gegenspannung und der Motorstrom als Effektivwerte erfasst werden, wobei alternativ die Gegenspannung und der Motorstrom als Gleichrichtwerte erfasst werden können.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind als vorteilhafte Ausführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusehen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einzelner bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 eine Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Universalmotors umfassend eine Tachoeinrichtung gemäß dem Stand der Technik;
2 eine Schaltungsanordnung zum sensorlosen Betreiben eines Universalmotors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 die Schaltungsanordnung gemäß 2, wobei eine alternative Anordnung eines Triacs einer Schalteinheit der Schaltungsanordnung vorgesehen ist;
4 ein funktionelles Blockschaltbild der Schaltungsanordnung nach einem ersten Ausführungsbeispiel;
5 ein funktionelles Blockschaltbild der Schaltungsanordnung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel;
6 beispielhafte Verläufe einer Rotorspannung, einer Differenzspannung, eines Motorstroms, sowie eines zur Referenz dargestellten Tachosignals;
7 einen Verlauf eines Verhältnisses einer Rotorspannung zu einem Motorstrom in Abhängigkeit einer Drehzahl.
In den Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Eine in 2 dargestellte Schaltungsanordnung 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist zum Betreiben, vorliegend zum sensorlosen Betreiben, eines Universalmotors 11 ausgebildet. Der Universalmotor 11 ist dabei zum Antreiben einer Trommel eines Hausgeräts zur Pflege von Wäschestücken ausgebildet, wobei unter dem Begriff Hausgerät insbesondere eine Waschmaschine, ein Trockner oder ein Waschtrockner verstanden wird. Der Universalmotor 11 umfasst einen Stator sowie einen rotatorisch bewegbar gelagerten Rotor 13, wobei der Stator eine Feldwicklung 12 und der Rotor 13 eine Rotorwicklung aufweist. Die Feldwicklung 12 des Stators ist mit der Rotorwicklung des Rotors 13 über eine Kommutiereinrichtung, welche vorliegend einen Kommutator sowie ein Bürstensystem aufweist, gekoppelt. Der Universalmotor 11 weist einen ersten Anschlusspol 14 sowie einen zweiten Anschlusspol 15 auf, zwischen welchen die Feldwicklung 12 des Stators sowie die Rotorwicklung des Rotors 13 geschaltet bzw. angeordnet sind. Überdies umfasst die Rotorwicklung des Rotors 13 einen der Feldwicklung 12 zugewandten ersten Rotoranschlusspol 16 sowie einen den zweiten Anschlusspol 15 des Universalmotors 11 definierenden zweiten Rotoranschlusspol 17.
Die Schaltungsanordnung 10 umfasst weiterhin eine Elektronikeinheit 18, welche im Allgemeinen zum Betreiben des Universalmotors 11 ausgebildet ist. Die Elektronikeinheit 18 umfasst eine Steuer- und/oder Regeleinheit 19, welche zum Steuern und/oder zum Regeln eines Drehzahlverhaltens des Universalmotors 11 ausgebildet ist. Hierzu umfasst die Elektronikeinheit 18 überdies eine Schalteinheit 20 mit einem mit dem Universalmotor 11 gekoppelten elektronischen Schaltelement 21, welches vorliegend als Triac ausgebildet ist. Es sei erwähnt, dass der Triac 21 mit dem zweiten Anschlusspol 15 des Universalmotors 11 gekoppelt ist. Überdies ist ein Steueranschluss 22 des Triacs 21 mit einem Ausgang 23 der Steuer- und/oder Regeleinheit 19 gekoppelt, über welchen der Triac 21 von der Steuer- und/oder Regeleinheit 19 ansteuerbar ist. Die Schalteinheit 20 weist ferner einen Stromerfassungswiderstand 24 (Shunt) auf, welcher über einen Stromerfassungspol 25 und überdies über den Triac 21 mit dem zweiten Anschlusspol 15 des Universalmotors 11 gekoppelt ist. Überdies ist der Stromerfassungspol 25 über einen Verstärker 26 der Schalteinheit 20 mit zwei Eingängen 27, 28 der Steuer- und/oder Regeleinheit 19 gekoppelt. Hierdurch wird erreicht, dass ein über den Universalmotor 11 und den Triac 21 fließender Motorstrom über den Stromerfassungswiderstand 24 erfasst und über den Verstärker 26 an die Eingänge 27, 28 der Steuer- und/oder Regeleinheit 19 angepasst werden kann. Dabei hat die Steuer- und/oder Regeleinheit 19 die Aufgabe, über den Eingang 27 eine Amplitude des Motorstroms auszuwerten und über den Eingang 28 eine Stromflussdauer zu erfassen. Dabei übernimmt der Verstärker 26 eine Potentialverschiebung des am Stromerfassungswiderstand 24 abgebildeten Wechselstromsignals, so dass der kleinste Signalwert an einem Ausgang 26a des Verstärkers 26 innerhalb eines zulässigen Spannungsbereichs der nachgeschalteten Steuer- und/oder Regeleinheit 19 liegt. Dem Erfassen der Stromflussdauer über den Eingang 28 der Steuer- und/oder Regeleinheit 19 liegt die Überlegung zugrunde, dass aufgrund von Induktivitäten der Feldwicklung 12 und der Rotorwicklung der Motorstrom einer Netzspannung nacheilt und der Triac 21 erst nach einem Durchgang der Netzspannung durch Unterschreiten seines Haltestroms ausschaltet.
Die Elektronikeinheit 18 der Schaltungsanordnung 10 umfasst weiterhin einen Eingang 29 mit einem einem Netzpotential eines Versorgungsnetzes zugewandten ersten Anschluss 30 sowie einem einem Neutralpotential des Versorgungsnetzes zugewandten zweiten Anschluss 31. Mit dem Eingang 29 ist vorliegend ein Netzfilter 32 (EMV-Filter) gekoppelt, mittels welchem Störsignale von Seiten der Schaltungsanordnung 10, insbesondere von Seiten des Universalmotors 11, gefiltert, bzw. gedämpft werden. Hierdurch wird das Versorgungsnetz gegen die Störsignale geschützt.
Die Elektronikeinheit 18 weist weiterhin eine Spannungsversorgung 33 auf, welche mit einem dem ersten Anschluss 30 des Eingangs 29 zugewandten und mit diesem über das Netzfilter 32 gekoppelten ersten Schaltungspol 34 und darüber hinaus mit einem dem zweiten Anschluss 31 des Eingangs 29 zugewandten und mit diesem über das Netzfilter 32 gekoppelten zweiten Schaltungspol 35 gekoppelt ist. Der zweite Schaltungspol 35 liegt insbesondere an dem Neutralpotential des Versorgungsnetzes an. Die Spannungsversorgung 33 ist mit einem Eingang 36a der Steuer- und/oder Regeleinheit 19 zur Energieversorgung gekoppelt. Die Spannungsversorgung 33 kann beispielsweise einen Gleichrichter umfassen, mittels welchem eine Netzspannung des Versorgungsnetzes in eine Gleichspannung bzw. eine gleichgerichtete Spannung umwandelbar ist. Hierdurch wird gewährleistet, dass die Steuer- und/oder Regeleinheit 19 mit einer gleichgerichteten Spannung versorgt werden kann.
Die Elektronikeinheit 18 der Schaltungsanordnung 10 umfasst überdies einen dritten Spannungsteiler 36 (ein erster und ein zweiter Spannungsteiler – siehe unten), dessen Spannungserfassungspol 37 über einen fünften Ohmschen Widerstand 38 mit dem ersten Schaltungspol 34 sowie über einen sechsten Ohmschen Widerstand 39 mit dem zweiten Schaltungspol 35 gekoppelt ist. Überdies ist der Spannungserfassungspol 37 des dritten Spannungsteilers 36 mit zwei Eingängen 40, 41 der Steuer- und/oder Regeleinheit 19 gekoppelt, wodurch gewährleistet wird, dass die Steuer- und/oder Regeleinheit 19 in der Lage ist, eine Netzspannung des Versorgungsnetzes abzubilden. So wird mittels der Steuer- und/oder Regeleinheit 19 über den Eingang 40 eine Amplitude der Netzspannung erfasst, wobei über den Eingang 41 der Steuer- und/oder Regeleinheit 19 Nulldurchgänge der Netzspannung erfasst werden.
Vorliegend gilt ein besonderes Interesse einem Erfassen einer an der Rotorwicklung des Rotors 13 zwischen dem ersten und dem zweiten Rotoranschlusspol 16, 17 anfallenden Rotorspannung im Hinblick auf ein Bestimmen einer Drehzahl des Universalmotors 11. Hierzu umfasst die Elektronikeinheit 18 der Schaltungsanorndung 10 einen ersten Spannungsteiler 42, dessen Spannungserfassungspol 43 über einen ersten Ohmschen Widerstand 44 mit dem der Feldwicklung 12 des Stators zugewandten ersten Rotoransschlusspol 16 sowie über einen zweiten Ohmschen Widerstand 45 mit dem den zweiten Anschlusspol des Universalmotors 11 definierenden zweiten Rotoranschlusspol 17 gekoppelt ist. Zum Erfassen einer an dem Universalmotor 11 zwischen dem ersten und dem zweiten Anschlusspol 14, 15 abfallenden Spannung umfasst die Elektronikeinheit einen zweiten Spannungsteiler 46, dessen Spannungserfassungspol 47 über einen dritten Ohmschen Widerstand 48 mit dem ersten Anschlusspol 14 des Universalmotors 11 und darüber hinaus über einen vierten Ohmschen Widerstand 49 mit dem zweiten Anschlusspol 15 des Universalmotors 11 gekoppelt ist. Der Spannungserfassungspol 43 des ersten Spannungsteilers 42 sowie der Spannungserfassungspol 47 des zweiten Spannungsteilers 46 sind mit einem Schaltungsteil 50 der Elektronikeinheit 18 gekoppelt, wobei der erste Spannungsteiler 42, der zweite Spannungsteiler 46, sowie der Schaltungsteil 50 vorliegend als eine Spannungserfassungseinheit bezeichnet werden. Dabei ist der Schaltungsteil 50 zur Erfassung einer Differenzspannung zwischen der Rotorspannung und der mittels des zweiten Spannungsteilers 46 erfassbaren Referenzspannung ausgebildet. An dieser Stelle sei erwähnt, dass die Widerstandswerte des ersten, zweiten, dritten und vierten Widerstands 44, 45, 48, 49 gegenüber Impedanzen der Rotorwicklung und der Feldwicklung 12 des Universalmotors 11 hochohmig ausgebildet sind, so dass Zusatzverluste sowie zusätzliche über den Stromerfassungswiderstand 24 fließende Ströme vernachlässigbar sind. Vorliegend umfasst der Schaltungsteil 50 einen Komparator, welcher vorliegend als ein Schmitt-Trigger ausgebildet ist, mittels welchem die Differenzspannung zwischen der Rotorspannung und der Referenzspannung ermittelbar ist. Zur Erfassung von Impulsen bzw. Impuls-Nadeln kann dieser Komparator auch als Doppelkomparator in Form eines so genannten Fensterkomparators ausgebildet sein. Im vorliegenden Beispiel umfasst der Schaltungsteil 50 darüber hinaus eine Filtereinheit zur Verschiebung und/oder Begrenzung der mittels des ersten und des zweiten Spannungsteilers 42, 46 gebildeten Spannungen, so dass aus Wechselspannungen in der Größenordnung der Netzspannung die gewonnenen Spannungswerte auf zulässige Kleinspannungs-Eingangsbereiche angepasst bzw. begrenzt werden. Diese Filterung ist erforderlich, um kurzzeitige Störungen, welche beispielsweise durch so genanntes Bürstenprellen entstehen, jedoch eine kürzere Zeitdauer als die Impulse der auszuwertenden Spannung aufweisen, zu unterdrücken.
Vorliegend ist der Schaltungsteil über eine erste Signalleitung 51 mit einem Eingang 52 der Steuer- und/oder Regeleinheit 19 sowie über eine zweite Signalleitung 53 mit einem Eingang 54 der Steuer- und/oder Regeleinheit 19 gekoppelt. So ist die Steuer- und/oder Regeleinheit 19 dabei in der Lage, über den Eingang 52 von Seiten des Schaltungsteils 50 gelieferte Differenzspannungen zwischen der Rotorspannung und der Referenzspannung sowie über den Eingang 54 gelieferte Rotorspannung auszuwerten.
3 gibt die Schaltungsanordnung 10 mit der Elektronikeinheit 18 sowie dem Universalmotor 11 wieder. Die Schaltungsanordnung 10 gemäß 3 entspricht im Allgemeinen der Schaltungsanordnung 10 gemäß 2, wobei der Triac 21 zwischen dem ersten Schaltungspol 34 und dem ersten Anschlusspol 14 des Universalmotors 11 angeordnet ist. Durch diese Anordnung des Triacs 21 wird erreicht, dass im Falle eines gesperrten Triacs 21 keine hohen Spannungen zwischen dem ersten und dem zweiten Anschlusspol 14, 15 des Universalmotors 11 bzw. keine hohen Potentiale an dem ersten und dem zweiten Spannungsteiler 42, 46 auftreten können. Die Schaltungsanordnung 10 gemäß 3 umfasst ferner ein optisches Schaltelement 55, welches vorliegend als ein Opto-Triac ausgebildet ist. Eine erste Anschlusselektrode 56 ist vorliegend mit dem ersten Schaltungspol 34 gekoppelt, wobei eine zweite Anschlusselektrode 57 des Opto-Triacs 55 mit dem Steueranschluss 22 des Triacs 21 gekoppelt ist. Überdies ist eine Steuerelektrode 58 des Opto-Triacs 55 mit der Steuer- und/oder Regeleinheit 19 im Hinblick auf eine Ansteuerung des Triacs 21 gekoppelt. Wird der Opto-Triac 55 über die Steuerelektrode 58 von der Steuer- und/oder Regeleinheit 19 angesteuert, so liegt an dem Steueranschluss 22 des Triacs 21 elektrische Spannung an, so dass der Triac 21 leitend bzw. angesteuert wird.
Vorliegend richtet sich das Interesse auf ein Bestimmen bzw. ein Erfassen der Drehzahl des Universalmotors 11. In 4 ist ein funktionelles Blockschaltbild der Schaltungsanordnung 10 im Hinblick auf das Erfassen der Drehzahl und das Regeln des Drehzahlverhaltens des Universalmotors 11 schematisch dargestellt. Gezeigt ist der Universalmotor 11 mit der den ersten und den zweiten Spannungsteiler 42, 46, sowie den Schaltungsteil 50 aufweisenden Spannungserfassungseinheit 59. Im Hinblick auf die Regelung des Drehzahlverhaltens des Universalmotors 11 ist die Steuer- und/oder Regeleinheit 19 in 4 auf eine Mehrzahl von Funktionsblöcken aufgeteilt. Überdies entsprechen zwei schematisch dargestellte Funktionsblöcke 60, 61 der Schalteinheit 20, wobei der Funktionsblock 60 den Triac 21 sowie den Stromerfassungswiderstand 24 und der Funktionsblock 61 den Verstärker 26 umfasst. Ein Funktionsblock 62 entspricht dem dritten Spannungsteiler 36, mittels welchem die Netzspannung, in 4 mit U_N bezeichnet, abzubilden ist.
Nachfolgend wird auf eine Bestimmung der Drehzahl des Universalmotors 11 näher eingegangen. Ausgangspunkt ist dabei eine Kennfeldsteuerung, welcher entsprechend unterschiedliche Drehzahl-Betriebsbereiche, insbesondere bei einem Waschbetrieb und einem Schleuderbetrieb, unterschiedliche Regelkreise zum Regeln des Drehzahlverhaltens des Universalmotors 11 unterlagert werden. In allen Drehzahl-Betriebsbereichen wird insbesondere eine Netzspannungsvorregelung eingesetzt, was durch die Abbildung der Netzspannung U_N mittels des dritten Spannungsteilers 36, 62 ermöglicht wird. Hierbei wird in einem Funktionsblock 62a der Steuer- und/oder Regeleinheit 19 in Abhängigkeit der abgebildeten Netzspannung U_N ein Zündwinkel oder ein Stromflusswinkel zur Ansteuerung des Triacs 21, 60 definiert. Entsprechend der Kennfeldsteuerung wird bei Vorgabe einer Soll-Drehzahl, was mittels eines Funktionsblocks 71 der Steuer- und/oder Regeleinheit 19 durchgeführt wird, der Zündwinkel α des Triacs 21, 60 nach einer Rampenfunktion verkleinert und damit der Stromflusswinkel vergrößert. Eine an den Universalmotor 11 gelegte Spannung ergibt sich hierbei mit der Netzspannung U_N zu:
Abhängig von einem Beladungszustand der Trommel des Hausgeräts läuft der Universalmotor 11 bei einem größeren oder einem kleineren Zündwinkel α an. Die Überwindung einer Haftreibung und des sich durch eine Drehbewegung der Wäschestücke innerhalb der Trommel nach deren Anheben verringernden Lastmoments würde die für den Waschbetrieb benötigte Drehzahl bei unverändertem Zündwinkel α ohne Regelung, also bei einer Kennfeldsteuerung, überschritten. Hierzu ist eine Regelung des Drehzahlverhaltens des Universalmotors 11, insbesondere in einem Anlaufbereich der Drehzahl, vorzunehmen. Mit einer ersten rotatorischen Bewegung des Rotors 13 wird durch einen Lamellenwechsel des Kommutators der Kommutiereinrichtung unter den Bürsten abwechselnd je nach Stellung des Rotors 13 eine unterschiedliche Anzahl von Spulen der Rotorwicklung des Rotors 13 kurzgeschlossen. Dies führt zu einer wechselnden Verformung der Rotorspannung gegenüber einer Form im Stillstand. Im vorliegenden Beispiel ist der Universalmotor 11 als ein zweipoliger Universalmotor mit einem Kollektor mit 36 Lamellen und einem 18-nutigen Rotor 13 ausgebildet.
Vorliegend wird erfindungsgemäß die Drehzahl des Universalmotors 11 in Abhängigkeit der zwischen dem ersten und dem zweiten Rotoranschlusspol 16, 17 abfallenden Rotorspannung bestimmt. 6 zeigt einen Verlauf 63 der Rotorspannung, einen Verlauf 64 der Differenzspannung zwischen der Rotorspannung und der Referenzspannung, einen Verlauf 65 des über den Universalmotor 11 und den Triac 21 fließenden Motorstroms sowie einen Verlauf 66 eines Tachosignals lediglich zur Referenzdarstellung. Zum Erfassen der Drehzahl des Universalmotors 11 wird die mittels der Spannungserfassungseinheit 59 erfasste Rotorspannung der Steuer- und/oder Regeleinheit 19, insbesondere einem Funktionsblock 67 übermittelt. Es kann vorgesehen sein, dass auch die aus der Rotorspannung gewonnene Differenzspannung der Steuer- und/oder Regeleinheit 19, insbesondere dem Funktionsblock 67 zum Erfassen der Drehzahl des Universalmotors 11 übermittelt wird. In 6 ist an dem Verlauf 65 des Motorstroms deutlich der lückende Stromverlauf aufgrund der Phasenanschnittssteuerung zu erkennen. Durch die Auswertung der Referenzspannung lassen sich Impulse im Verlauf 64 der Differenzspannung detektieren, deren Frequenz proportional zur Drehzahl ist. Unter den Impulsen werden hier Impuls-Nadeln im Verlauf 64, 63 der Differenzspannung und/oder der Rotorspannung innerhalb eines einer Stromflussdauer 68 entsprechenden Zeitintervalls t_i verstanden. Innerhalb des Zeitintervalls t_i bzw. der Stromflussdauer t_i, 68 pro Halbwelle, welches mittels des Stromerfassungswiderstands 24 und des mit der Steuer- und/oder Regeleinheit 19 bzw. mit dem Funktionsblock 67 gekoppelten Stromerfassungspol 25 ermittelt wird, werden die Impulse aus dem Verlauf 63, 64 der Rotorspannung und/oder der Differenzspannung gezählt und eine Anzahl z der Impulse im Funktionsblock 67 ermittelt. Daraus wird eine Frequenz f der Impulse wie folgt ermittelt:
Wird in erster Näherung eine quasi konstante Drehzahl des Rotors 13 angenommen, so ist auch in einer Stromlücke, in welcher nicht gemessen werden kann, die gleiche Impulsfrequenz f anzunehmen. Die Frequenz f ist somit funktionell als eine abgetastete, gemittelte Größe anzusehen. Die Motordrehzahl ergibt sich daraus mit einer Anzahl von Lamellen z_lam des Kollektors des Universalmotors 11 und der Annahme, dass pro eine Lamelle jeweils ein Impuls erzeugt wird, zu:
Um hierbei einen möglichen, so genannten Jitter der pro Halbwelle ermittelten Impulse zu unterdrücken, kann an dieser Stelle vorgesehen sein, dass ein Mittelwert über mehrere Perioden der Netzspannung gebildet wird. Die in Abhängigkeit der Rotorspannung erhaltene Drehzahl n kann dabei einer Reglereinheit, beispielsweise einem PI-Regler zugeführt werden, welcher vorliegend in einem Funktionsblock 69 angeordnet ist.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass für eine Drehzahl-Regelung in einem Teil des Arbeitsbereichs die mittels der Spannungserfassungseinheit 59 abgebildete Referenzspannung nicht erforderlich ist und unberücksichtigt bleiben kann, so dass die Anzahl der Impulse aus dem Verlauf 63 der Rotorspannung und die Drehzahl n in Abhängigkeit der Frequenz f der Impulse ermittelt werden. Im vorliegenden Beispiel wird die Drehzahl n in Abhängigkeit der Rotorspannung in niedrigen Bereichen der Drehzahl n, insbesondere in einem Waschbetrieb, ermittelt. In höheren Bereichen der Drehzahl n wird vorliegend die Drehzahl n des Universalmotors 11 auf der Grundlage einer Gegenspannung bzw. einer elektromotorischen Kraft des Universalmotors 11 (EMK) bestimmt. Diese Gegenspannung ist erst ab einem bestimmten Wert der Drehzahl n erfassbar und lässt sich als eine geometrische Spannungssumme in Form der Rotorspannung erfassen. Um hierbei die Stromabhängigkeit der Gegenspannung zu eliminieren, kann vorgesehen sein, dass gleichzeitig der Motorstrom abgetastet wird. Unabhängig von einem Phasenwinkel zwischen der Rotorspannung und dem Motorstrom lässt sich eine genaue und zuverlässige Beziehung zu der Drehzahl ermitteln, entsprechend:
wobei u_rot der Rotorspannung und i_mot dem Motorstrom sowie n der Motordrehzahl entsprechen. Bezogen auf eine Trommeldrehzahl n_tr mit einem Übersetzungsverhältnis
kann die Trommeldrehzahl n_tr in Abhängigkeit eines Quotienten aus der Rotorspannung u_rot und dem Motorstrom i_mot dargestellt werden:
Die Übersetzungsverhältnisse liegen bei Trommelantrieben mit Universalmotoren in Hausgeräten zur Pflege von Wäschestücken üblicherweise in einem Wertebereich von 10:1 bis 17:1. Das im vorliegenden Beispiel verwendete Bezugsübertragungsverhältnis beträgt 12:1.
7 gibt die Funktion gemäß der obigen Formel aus verschiedenen Messungen an dem Universalmotor 11 wieder. Dargestellt ist, dass bei der Trommeldrehzahl n_tr > 100 U/min ein weitgehend proportionales Verhalten zwischen der Drehzahl n_tr und dem Quotienten
vorliegt. Die mathematische Form der verwendeten Messgrößen u_rot und i_mot sind dabei Effektivwerte. Es ist jedoch auch möglich, statt dessen mit Gleichrichtwerten zu arbeiten, um somit ein vereinfachtes Abtasten und Berechnen mittels der Steuer- und/oder Regeleinheit 19 zu ermöglichen. Das Ermitteln der Drehzahl n des Universalmotors 11 geschieht vorliegend in einem Funktionsblock 70 und die Bildung einer Stellgröße in dem Funktionsblock 69, wobei mittels des Funktionsblocks 71 der Steuer- und/oder Regeleinheit 19 ein Wert der Soll-Drehzahl vorgegeben wird. Überdies wird mittels der Steuer- und/oder Regeleinheit 19 im Funktionsblock 69 zwischen dem impulsproportionalen Ermitteln und dem EMK-proportionalen Ermitteln der Drehzahl n des Universalmotors 11 abhängig vom Drehzahlbereich entschieden. Mittels des Funktionsblocks 69 wird darüber hinaus eine den Zündwinkel α definierende Stellgröße gebildet und im Funktionsblock 62a wird ein Zündimpuls zur Ansteuerung des Triacs 21, 60 unter Berücksichtigung der unterlagerten Netzspannungsvorregelung erzeugt. Da im höheren Drehzahlbereich, insbesondere in einem Schleuderbetrieb, ein stabiles Drehzahlverhalten des Universalmotors 11 auch ohne die zusätzliche in Abhängigkeit der Gegenspannung durchgeführte Regelung möglich ist, kann aufgrund der mechanischen Belastung durch die Trommel auf die Regelung in den höheren Drehzahlbereichen verzichtet werden. Hierbei kann vorgesehen sein, dass in den oberen Drehzahlbereichen auf die Kennfeldsteuerung mit Netzspannungsvorsteuerung drehzahlabhängig umgeschaltet wird. Ein funktionelles Blockschaltbild, welches diese Ausführungsform darstellt, ist in 5 schematisch gezeigt.
Die Erfindung ist nicht auf die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Alle vorstehend beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten Merkmale sind in vielfältiger Weise miteinander kombinierbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 2003/0128003 A1 [0005]

Claims

Schaltungsanordnung (10) zum Betreiben eines zum Antreiben einer Trommel eines Hausgeräts zur Pflege von Wäschestücken ausgebildeten Universalmotors (11), bei welcher der Universalmotor (11) einen mindestens eine Feldwicklung (12) aufweisenden Stator und einen rotatorisch bewegbar gelagerten Rotor (13) umfasst, welcher eine mit der mindestens einen Feldwicklung (12) über eine Kommutiereinrichtung gekoppelte Rotorwicklung aufweist, wobei zwischen einem ersten und einem zweiten Anschlusspol (14, 15) des Universalmotors (11) die Feldwicklung (12) und die Rotorwicklung angeordnet sind, und mit einer Elektronikeinheit (18), die eine Steuer- und/oder Regeleinheit (19) aufweist, welche zum Erfassen einer Drehzahl (n) des Universalmotors (11) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronikeinheit (18) eine Spannungserfassungseinheit (59) zum Erfassen einer an der Rotorwicklung abfallenden elektrischen Rotorspannung aufweist, und die Steuer- und/oder Regeleinheit (19) zum Bestimmen der Drehzahl (n) des Universalmotors (11) in Abhängigkeit der Rotorspannung ausgebildet ist.
Schaltungsanordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungserfassungseinheit (59) einen ersten Spannungsteiler (42) umfasst, dessen Spannungserfassungspol (43) über einen ersten Ohmschen Widerstand (44) mit einem der Feldwicklung (12) des Stators zugewandten ersten Rotoranschlusspol (16) der Rotorwicklung und über einen zweiten Ohmschen Widerstand (45) mit einem den zweiten Anschlusspol (15) des Universalmotors (11) definierenden zweiten Rotoranschlusspol (17) der Rotorwicklung gekoppelt ist.
Schaltungsanordnung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungserfassungseinheit (59) zum Erfassen einer an der Feldwicklung (12) und der Rotorwicklung zwischen dem ersten und dem zweiten Anschlusspol (14, 15) des Universalmotors (11) abfallenden Referenzspannung ausgebildet ist, und die Steuer- und/oder Regeleinheit (19) zum Ermitteln der Drehzahl (n) in Abhängigkeit einer Differenz der Rotorspannung und der Referenzspannung ausgebildet ist.
Schaltungsanordnung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungserfassungseinheit (59) einen zweiten Spannungsteiler (46) zum Erfassen der Referenzspannung umfasst, dessen Spannungserfassungspol (47) über einen dritten Ohmschen Widerstand (48) mit dem der Feldwicklung (12) zugewandten ersten Anschlusspol (14) des Universalmotors (11) und über einen vierten Ohmschen Widerstand (49) mit dem der Rotorwicklung zugewandten zweiten Anschlusspol (15) des Universalmotors (11) gekoppelt ist.
Schaltungsanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungserfassungseinheit (59) ein Schaltungsteil (50) zugeordnet ist, welcher zum Bestimmen einer Differenzspannung zwischen der Rotorspannung und einer an der Feldwicklung (12) und der Rotorwicklung zwischen dem ersten und dem zweiten Anschlusspol (14, 15) des Universalmotors (11) abfallenden Referenzspannung ausgebildet ist.
Schaltungsanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronikeinheit (18) eine Schalteinheit (20) mit einem elektronischen Schaltelement (21), insbesondere einem Triac, aufweist, welches mit dem Universalmotor (11) gekoppelt ist, und mittels welchem ein über die Feldwicklung (12) und die Rotorwicklung fließender Motorstrom regelbar ist.
Schaltungsanordnung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (20) einen Ohmschen Stromerfassungswiderstand (24) aufweist, welcher mit dem elektronischen Schaltelement (21) in Reihe geschaltet ist, wobei zwischen dem Stromerfassungswiderstand (24) und dem Schaltelement (21) ein Stromerfassungspol (25) ausgebildet ist, welcher mit der Steuer- und/oder Regeleinheit (19) gekoppelt ist.
Schaltungsanordnung (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromerfassungspol (25) mit der Steuer- und/oder Regeleinheit (19) über einen Verstärker (26) gekoppelt ist.
Schaltungsanordnung (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steueranschluss (22) des elektronischen Schaltelements (21) mit einem optischen Schaltelement (55), insbesondere einem Opto-Triac, gekoppelt ist, welches von der Steuer- und/oder Regeleinheit (19) galvanisch entkoppelt ansteuerbar ist.
Schaltungsanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung (10) ein Netzfilter (32) aufweist, welches mit einem Eingang (29) der Schaltungsanordnung (10) gekoppelt ist.
Schaltungsanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannungsversorgung (33) mit einem Eingang (29) der Schaltungsanordnung (10) gekoppelt ist, welche mit der Steuer- und/oder Regeleinheit (19) zur Energieversorgung gekoppelt ist.
Schaltungsanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regeleinheit (19) mit einem Eingang (29) der Schaltungsanordnung (10) über einen dritten Spannungsteiler (36) gekoppelt und zum Erfassen einer an dem Eingang (29) anliegenden Netzspannung (U_N) ausgebildet ist.
Schaltungsanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regeleinheit (19) dazu ausgebildet ist, eine Anzahl (z) von Impulsen der Rotorspannung oder einer daraus gewonnenen Differenzspannung innerhalb eines einer Stromflussdauer entsprechenden Zeitintervalls (t_i) zu detektieren und eine Frequenz (f) der Impulse zu bestimmen.
Schaltungsanordnung (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl (n) des Universalmotors (11) in Abhängigkeit der bestimmten Frequenz (f) der Impulse sowie einer Anzahl (z_lam) von Lamellen der Kommutiereinrichtung des Rotors (13), insbesondere eines Kommutators der Kommutiereinrichtung des Rotors (13), durch die Steuer- und/oder Regeleinheit (19) ermittelbar ist.
Schaltungsanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regeleinheit (19) zum Auswerten einer im Rotor (13) induzierten Gegenspannung und ab einer vorbestimmten Drehzahl (n), insbesondere ab einer Drehzahl (n) von etwa 1200 U/min, bevorzugt ab einer Drehzahl (n) von etwa 2400 U/min, zum Ermitteln der Drehzahl (n) in Abhängigkeit der Gegenspannung ausgebildet ist.
Verfahren zum Betreiben eines zum Antreiben einer Trommel eines Hausgeräts zur Pflege von Wäschestücken ausgebildeten Universalmotors (11), bei welchem der Universalmotor (11) einen mindestens eine Feldwicklung (12) aufweisenden Stator und einen rotatorisch bewegbar gelagerten Rotor (13) umfasst, welcher eine mit der mindestens einen Feldwicklung (12) über eine Kommutiereinrichtung gekoppelte Rotorwicklung aufweist, wobei mittels einer Steuer- und/oder Regeleinheit (19) einer Elektronikeinheit (18) eine Drehzahl (n) des Universalmotors (11) erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine an der Rotorwicklung abfallende elektrische Rotorspannung mittels einer Spannungserfassungseinheit (59) der Elektronikeinheit (18) erfasst wird, und die Drehzahl (n) des Universalmotors (11) mittels der Steuer- und/oder Regeleinheit (19) in Abhängigkeit der Rotorspannung bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorspannung mittels eines ersten Spannungsteilers (42) der Spannungserfassungseinheit (59) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Spannungserfassungseinheit (59) eine an der Feldwicklung (12) und der Rotorwicklung zwischen einem ersten und einem zweiten Anschlusspol (14, 15) des Universalmotors (11) abfallende Referenzspannung erfasst wird, und mittels der Steuer- und/oder Regeleinheit (19) die Drehzahl (n) in Abhängigkeit einer Differenz der Rotorspannung und der Referenzspannung ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzspannung mittels eines zweiten Spannungsteilers (46) der Spannungserfassungseinheit (59) erfasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuer- und/oder Regeleinheit (19) eine Anzahl (z) von Impulsen der Rotorspannung oder einer daraus gewonnenen Differenzspannung innerhalb eines einer Stromflussdauer entsprechenden Zeitintervalls (t_i) detektiert wird und eine Frequenz (f) der Impulse bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl (n) des Universalmotors (11) in Abhängigkeit der bestimmten Frequenz (f) der Impulse sowie einer Anzahl von Lamellen (z_lam) der Kommutiereinrichtung, insbesondere eines Kommutators der Kommutiereinrichtung, mittels der Steuer- und/oder Regeleinheit (19) ermittelt und zur Drehzahlregelung verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuer- und/oder Regeleinheit (19) eine Kennfeldsteuerung mit Netzspannungsvorsteuerung (62) eingesetzt wird, und ab einer vorbestimmten Drehzahl (n), insbesondere ab einer Drehzahl (n) von 1200 U/min, bevorzugt ab einer Drehzahl (n) von 2400 U/min, die Drehzahl (n) in Abhängigkeit des Kennfelds gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuer- und/oder Regeleinheit (19) eine im Rotor (13) induzierte Gegenspannung ausgewertet wird, und ab einer vorbestimmten Drehzahl (n), insbesondere ab einer Drehzahl (n) von etwa 1200 U/min, bevorzugt ab einer Drehzahl (n) von etwa 2400 U/min, die Drehzahl (n) in Abhängigkeit der Gegenspannung ermittelt und zur Drehzahlregelung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass zur Drehzahlregelung ein Quotient der Gegenspannung und des Motorstroms als ein Ist-Wert der Drehzahl (n) herangezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenspannung und der Motorstrom als Effektivwerte erfasst werden.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenspannung und der Motorstrom als Gleichrichtwerte erfasst werden.