DE102009029410A1 - Motor system has brush-commutated electric motor and one or more measurement units, where electric motor has commutator with three brushes, and multiple brushes are provided with similar polarity - Google Patents
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Abstract
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft bürstenkommutierte Gleichstrommotoren, bei denen eine Drehzahlmessung durch Auswertung eines Stromverlaufs vorgenommen wird.The invention relates to brush-commutated DC motors, in which a speed measurement is performed by evaluating a current waveform.
Stand der TechnikState of the art
Eine Drehzahl eines Gleichstrommotors wird in der Regel mit Hilfe von zusätzlichen Lagesensoren, wie z. B. Hall-Sensoren, GMR-Sensoren und dergleichen, in bekannter Weise durchgeführt. Der Lagesensor ist mit dem Läufer des Gleichstrommotors gekoppelt, so dass ein Teil des Lagesensors bei einer Bewegung des Läufers ebenfalls bewegt wird. Dabei wird von dem Lagesensor ein Strom- bzw. Spannungsimpuls generiert. Der Strom- bzw. Spannungsimpuls wird ausgewertet, z. B. werden die Impulse während eines vorbestimmten Zeitfensters gezählt, um eine Angabe zu einer Drehzahl des Gleichstrommotors zu erhalten.A speed of a DC motor is usually with the help of additional position sensors, such. B. Hall sensors, GMR sensors and the like, performed in a known manner. The position sensor is coupled to the rotor of the DC motor, so that a part of the position sensor is also moved during a movement of the rotor. In this case, a current or voltage pulse is generated by the position sensor. The current or voltage pulse is evaluated, z. For example, the pulses are counted during a predetermined time window to obtain an indication of a speed of the DC motor.
Alternative Möglichkeiten, die Drehzahl sensorlos zu bestimmen, sehen eine Auswertung einer Stromwelligkeit auf den Versorgungsleitungen des Gleichstrommotors vor. Dabei wird der Strom auf den Versorgungsleitungen ausgewertet, der bei einer Bewegung des Läufers des Gleichstrommotors aufgrund der Nutung des Ankers und der von der Bewegung des Läufers abhängigen Kommutierung eine regelmäßige Welligkeit aufweist. Durch unregelmäßige Patina, mechanische Schwingungen oder Unrundheiten am Kommutator kann die Stromwelligkeit unregelmäßig werden, so dass diese Methode der Drehzahlmessung nicht für alle Anwendungen zuverlässig anwendbar ist.Alternative ways to determine the speed sensorless, provide an evaluation of a current ripple on the supply lines of the DC motor. In this case, the current is evaluated on the supply lines, which has a regular waviness in a movement of the rotor of the DC motor due to the groove of the armature and dependent on the movement of the rotor commutation. By irregular patina, mechanical vibrations or circularity on the commutator, the current ripple can be irregular, so that this method of speed measurement is not reliably applicable for all applications.
Weiterhin besteht ein Nachteil der sensorlosen Drehzahlmessung bei der Anwendung bei Gleichstrommotoren mit Kommutatoren, die mehr als zwei Bürsten aufweisen. Bei solchen Motorsystemen werden in der Regel mindestens zwei der Bürsten über eine gemeinsame Versorgungsleitung mit Strom versorgt. Dadurch überlagern sich auf der gemeinsamen Versorgungsleitung aufgrund der am Kommutator versetzten Anordnung der Bürsten die Stromwelligkeiten der Ströme durch die mehreren Bürsten gleicher Polarität, werden auf der gemeinsamen Versorgungsleitung addiert und schwächen sich aufgrund ihres Phasenversatzes ab. Dadurch ist der Aufwand bei der Detektion und der Auswertung der Stromwelligkeiten auf der Versorgungsleitung bei derartigen Motorsystemen deutlich erhöht, da die Empfindlichkeit der sensorlosen Drehzahlmessung entsprechend gewählt sein muss.Furthermore, there is a disadvantage of sensorless speed measurement when used in DC motors with commutators having more than two brushes. In such engine systems, at least two of the brushes are usually supplied with power via a common supply line. As a result, due to the offset of the commutator arrangement of the brushes, the current ripples of the currents are superimposed on the common supply line by the plurality of brushes of the same polarity, are added to the common supply line and weaken due to their phase offset. As a result, the effort in the detection and the evaluation of the current ripples on the supply line in such engine systems is significantly increased, since the sensitivity of the sensorless speed measurement must be selected accordingly.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Motorsystem mit einem Gleichstrommotor zur Verfügung zu stellen, mit dem eine verbesserte Ermittlung der Drehzahl anhand eines Stromverlaufs bzw. durch Auswerten einer Stromwelligkeit durchgeführt werden kann. Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Drehzahl in einem Motorsystem sowie ein Verfahren hierzu zur Verfügung zu stellen.It is an object of the present invention to provide a motor system with a DC motor, with which an improved determination of the rotational speed can be carried out on the basis of a current profile or by evaluating a current ripple. It is a further object of the present invention to provide a device for determining a rotational speed in an engine system and a method for this purpose.
Offenbarung von Ausführungsformen.Disclosure of embodiments.
Diese Aufgaben werden durch das Motorsystem gemäß Anspruch 1 sowie durch die Vorrichtung und das Verfahren gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.These objects are achieved by the motor system according to
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Further advantageous embodiments are specified in the dependent claims.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Motorsystem mit einem bürstenkommutierten Elektromotor und mit einer oder mehreren Messeinheiten vorgesehen. Der Elektromotor umfasst einen Kommutator mit mindestens drei Bürsten, wobei mehrere Bürsten gleicher Polarität vorgesehen sind, die über eine gemeinsame Versorgungsleitung mit einem Versorgungspotenzial verbunden sind, wobei zwischen der Versorgungsleitung und mindestens einer der mehreren Bürsten eine Messeinheit zur Messung einer Angabe über einen Bürstenstrom über die entsprechende Bürste angeordnet ist.According to a first aspect, a motor system is provided with a brush-commutated electric motor and with one or more measuring units. The electric motor comprises a commutator with at least three brushes, wherein a plurality of brushes of the same polarity are provided, which are connected via a common supply line to a supply potential, between the supply line and at least one of the plurality of brushes a measuring unit for measuring an indication of a brush current over the corresponding brush is arranged.
Eine Idee der Erfindung besteht darin, ein Motorsystem bereitzustellen, mit dem eine Ermittlung einer Drehzahl eines Elektromotors in verbesserter Weise durchgeführt werden kann. Durch Vorsehen der Messeinheit zum Erfassen eines Stromes zwischen der Versorgungsleitung und einer von mehreren Bürsten gleicher Polarität ist es möglich, Stromschwankungen aufgrund einer Kommutierung des Elektromotors vor einer Überlagerung auf der gemeinsamen Versorgungsleitung zu erfassen und für die Ermittlung der Drehzahlangabe zu verwenden.An idea of the invention is to provide an engine system with which a determination of a rotational speed of an electric motor can be carried out in an improved manner. By providing the measuring unit for detecting a current between the supply line and one of a plurality of brushes of the same polarity, it is possible to detect current fluctuations due to commutation of the electric motor from interference on the common supply line and to use for determining the speed specification.
Weiterhin kann der Kommutator eine Anzahl von Kommutatorlamellen umfassen, die mit den mehreren Bürsten kontaktierbar sind, die kein ganzzahliges Vielfaches einer Polpaarzahl ist.Furthermore, the commutator may comprise a number of commutator bars that are contactable with the plurality of brushes, which is not an integer multiple of a pole pair number.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Anzahl von Kommutatorlamellen dem um 1 erhöhten oder um 1 verminderten Produkt einer Polpaarzahl und einer natürlichen Zahl entsprechen.According to one embodiment, the number of commutator bars may correspond to the product increased or decreased by 1 by one pole pair number and one natural number.
Somit kann bei Gleichstrommotoren mit mehr als einer Bürste pro Polarität sichergestellt werden, dass die Bürsten mit gleicher Polarität nicht gleichzeitig kommutieren. Dies führt zu einem Phasenversatz zwischen den Bürstenströmen, so dass sich auf der gemeinsamen Versorgungsleitung die Stromwelligkeiten addieren und aufgrund der nicht gleichzeitigen Kommutierung zumindest teilweise ausloschen. Dies ist wünschenswert, da so die Stromschwankungen zu an sich störenden Spannungsschwankungen auf der Versorgungsgleichspannung führen. Dies erschwert jedoch die Detektion der Frequenz der Stromwelligkeit, die eine Angabe zu der Drehzahl des Elektromotors darstellt. Mit dem obigen Motorsystem kann man die einzelnen Bürstenströme erfassen, wobei gleichzeitig nur eine geringe Stromwelligkeit auf der Versorgungsleitung vorliegt, die der Summe mehrerer phasenversetzter Bürstenströme entspricht. Dadurch kann auch die Drehmomentwelligkeit klein gehalten werden.Thus, with DC motors having more than one brush per polarity, it can be ensured that the brushes of the same polarity do not commutate simultaneously. This leads to a phase shift between the brush currents, so that on the common supply line to add the current ripples and extinguish due to the non-simultaneous commutation at least partially. This is desirable because the current fluctuations lead to disturbing voltage fluctuations on the DC supply voltage. However, this makes it difficult to detect the frequency of the current ripple, which is an indication of the rotational speed of the electric motor. With the above motor system can detect the individual brush currents, at the same time there is only a small current ripple on the supply line, which corresponds to the sum of several phase-offset brush currents. As a result, the torque ripple can be kept small.
Weiterhin kann den mehreren Bürsten jeweils eine Messeinheit zugeordnet sein. Gemäß einer Ausführungsform kann die Messeinheit einen Messwiderstand oder ein induktives Kopplungselement aufweisen.Furthermore, the plurality of brushes may each be assigned a measuring unit. According to one embodiment, the measuring unit may have a measuring resistor or an inductive coupling element.
Gemäß einer Ausführungsform können die Messeinheiten zwischen der Versorgungsleitung und den mehreren Bürsten gleicher Polarität angeordnet sein.According to one embodiment, the measuring units may be arranged between the supply line and the plurality of brushes of the same polarity.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die mehreren Bürsten einen gleichmäßigen Versatz zueinander aufweisen.It may further be provided that the plurality of brushes have a uniform offset from each other.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zur Messung einer Drehzahlangabe eines Elektromotors in dem obigen Motorsystem vorgesehen. Die Vorrichtung umfasst eine Auswerteeinheit, die mindestens ein Detektionssignal von der einen oder den mehreren Messeinheiten empfängt und die ausgebildet ist, um die Drehzahlangabe abhängig von dem einen oder den mehreren Detektionssignale zu ermitteln.In another aspect, an apparatus for measuring a speed indication of an electric motor is provided in the above engine system. The device comprises an evaluation unit which receives at least one detection signal from the one or more measuring units and which is designed to determine the speed indication in dependence on the one or more detection signals.
Weiterhin kann die Auswerteeinheit ausgebildet sein, um die Drehzahlangabe als eine Frequenz des einen oder der mehreren Detektionssignale zu ermitteln. Alternativ kann die Auswerteeinheit ausgebildet sein, um ein Differenzsignal als Differenz von mehreren der Detektionssignale zu ermitteln und um die Drehzahlangabe als eine Frequenz des Differenzsignals zu ermitteln.Furthermore, the evaluation unit can be designed to determine the speed specification as a frequency of the one or more detection signals. Alternatively, the evaluation unit can be designed to determine a difference signal as a difference of a plurality of the detection signals and to determine the speed indication as a frequency of the difference signal.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zur Messung einer Drehzahlangabe eines Elektromotors in dem obigen Motorsystem vorgesehen. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- – Empfangen des mindestens einen Detektionssignals von der einen oder den mehreren Messeinheiten; und
- – Ermitteln der Drehzahlangabe als eine Frequenz des einen oder der mehreren Detektionssignale oder als eine Frequenz eines Differenzsignals, das einer Differenz von mehreren der Detektionssignale entspricht.
- - receiving the at least one detection signal from the one or more measuring units; and
- Determining the speed indication as a frequency of the one or more detection signals or as a frequency of a difference signal corresponding to a difference of a plurality of the detection signals.
Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Preferred embodiments of the invention are explained below with reference to the accompanying drawings. Show it:
Gleiche Bezugszeichen bezeichnen Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion.Like reference numerals designate elements of equal or comparable function.
Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments
In
Der Gleichstrommotor
Die Anzahl der Kommutatorlamellen
Aufgrund der ungeraden Anzahl der Kommutatorlamellen
In dem auf den Versorgungsleitungen
In dem Motorsystem der
Dazu kann das entsprechende Detektionssignals ausgewertet werden, das einer der Bürsten
Die Auswertung kann sowohl anhand eines der Detektionssignale als auch mit Hilfe mehrerer Detektionssignale für mehrere Bürsten
Alternativ oder zusätzlich kann eine Differenzbildung der Detektionssignale vorgenommen werden, um ein Differenzsignal zu erhalten. Die Differenzbildung kann in der Auswerteeinheit
Im Summenstrom durch alle Bürsten
In der gezeigten Ausführungsform der
In
Die Messeinheit ist vorzugsweise als Messwiderstand ausgebildet, so dass der dadurch fließende Strom in Form einer Detektionsspannung abgegriffen werden kann. Alternative Möglichkeiten zur Messung des Stroms sind ebenfalls möglich, wie z. B. die Messung des Wechselanteils des Stroms durch induktive Kopplung und dergleichen, was zudem den Vorteil hat, dass ein Gleichanteil des Versorgungsstroms nicht zur Auswerteeinheit
Zur Realisierung der Erfindung ist wesentlich, dass mehrere Bürsten
Um zu ermöglichen, dass bei der Kommutierung einer jeweils nächsten Kommutatorlamelle
Claims (11)
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