DE102010048747A1

DE102010048747A1 - Vorrichtung zur Steuerung, insbesondere Konstanthaltung, der Drehzahl eines elektrisch betriebenen Gleichstrommotors

Info

Publication number: DE102010048747A1
Application number: DE102010048747A
Authority: DE
Inventors: Stefan Maiwald
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2010-10-16
Filing date: 2010-10-16
Publication date: 2012-04-19

Abstract

Vorrichtung (3) zur Steuerung, insbesondere Konstanthaltung, der Drehzahl eines elektrisch betriebenen Gleichstrommotors (2), wobei eine einen Innenwiderstand (5) des Motors (2) durch einen erzeugten virtuellen negativen Widerstand (6) kompensierende analoge und/oder digitale Baugruppe vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung, insbesondre Konstanthaltung, der Drehzahl eines elektrisch betriebenen Gleichstrommotors unter Last.
Gleichstrommotoren oder elektronisch kommutierte Motoren mit einer Kommutationselektronik, die einen Gleichstrombetrieb ermöglicht, welche im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch unter dem Begriff Gleichstrommotoren gefasst werden sollen, sind im Stand der Technik bereits hinlänglich bekannt. Solche Motoren werden besonders häufig in Kraftfahrzeugen eingesetzt, beispielsweise als Lüftermotoren, Stellmotoren oder dergleichen. Bei diesen Motoren ist bekannt, dass ein Abfall der Drehzahl auftreten kann, wenn ein Lastmoment an den Motor anliegt. Die Ursache hierfür ist im Wesentlichen ein Spannungsabfall am Innenwiderstand des Motors.
Zur Lösung dieses Problems wurde vorgeschlagen, die Ist-Drehzahl des Motors zu messen und entsprechend die an den Motor angelegte Eingangsspannung zu verändern. Dies kann entweder durch die Höhe der insgesamt zur Verfügung gestellten Gleichspannung eingestellt werden, denkbar ist es jedoch auch, ein Tastverhältnis zu verändern. So schlägt beispielsweise DE 44 08 442 A1 vor, eine Dreiecksspannung zusammen mit einer einen Ist-Wert der Drehzahl darstellenden Steuerspannung zur Erzeugung eines Signals zur Pulsweitenmodulation einem Komparator zuzuführen, um damit die Lüfterdrehzahl in jedem Betriebszustand des Motors unabhängig von Schwankungen der Betriebsspannung konstant zu halten. Eine solche Regelung der Drehzahl kann analog oder digital realisiert werden. Hierfür sind jedoch kostspielige Drehzahlsensoren erforderlich, zudem arbeitet die Regelung der Nachführung sehr langsam, da erst eine Drehzahlmessung und eine gegebenenfalls eintretende Regelabweichung abgewartet werden muss, bevor auf diese reagiert werden kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, mit der eine verbesserte, insbesondere schnellere und weniger aufwendige Steuerung der Drehzahl eines Gleichstrommotors im Bezug auf Lastmomente ermöglicht wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine einen Innenwiderstand des Motors durch einen erzeugten virtuellen negativen Widerstand kompensierende analoge und/oder digitale Baugruppe vorgesehen ist.
Die Grundidee der vorliegenden Idee ist es also, im Prinzip einen „negativen Widerstand” in Reihe mit dem Gleichstrommotor zu schalten, so dass der physikalisch bedingte Innenwiderstand des Motors kompensiert wird und die Drehzahl bei Belastung der Motorwelle durch ein Lastmoment nicht abfällt. Nachdem physikalisch keine negativen Widerstände existieren, sieht die Erfindung vor, einen solchen virtuell durch eine analoge und/oder digitale Baugruppe zu erzeugen, beispielsweise also eine komplett analoge Schaltung oder auch einen Digitalregler, worauf im Folgenden noch näher eingegangen werden wird.
Einfach und in anderen Worten ausgedrückt hat die Baugruppe also die selbe Wirkung, die ein negativer, in Reihe mit dem Motor geschalteter Widerstand hätte, dessen Betrag wenigstens dem Innenwiderstand des Gleichstrommotors entspricht.
Es sind also in der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung keine kostspieligen Drehzahlsensoren mehr nötig, und das System kann schneller und präziser arbeiten, weil im Gegensatz zur üblichen Regelung keine Drehzahlmessung und Regelabweichung abgewartet werden muss.
Dabei kann im Übrigen vorgesehen sein, dass der Innenwiderstand wenigstens zeitweise überkompensierbar ist, das bedeutet, dass der negative Widerstand im Betrag größer als der Innenwiderstand des Motors gewählt wird, was dazu führt, dass bei Anliegen eines Lastmoments an der Motorwelle die Drehzahl sogar erhöht wird. Dies kann in einigen Anwendungsfällen nützlich sein, beispielsweise bei einer Bohrmaschine, die ohne Last noch langsamer laufen soll, bei Anliegen einer Last jedoch beschleunigen soll.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird der virtuelle negative Widerstand erzeugt, indem die Baugruppe zur Veränderung einer Eingangsspannung des Motors und/oder des Tastverhältnisses der Eingangsspannung in Abhängigkeit des durch den Motor fließenden Stroms ausgebildet ist. Es wird also der Strom gemessen, woraufhin die Eingangsspannung des Motors beziehungsweise das Tastverhältnis der Eingangsspannung des Motors in Abhängigkeit dieses Stroms angepasst wird. Letztlich kann vorgesehen werden, dass, wenn die Eingangsspannung verändert werden soll, bei Anliegen eines Lastmoments die Eingangsspannung des Motors – die üblicherweise von der gewünschten Drehzahl abhängt, welche die Höhe einer dem Motor zur Verfügung gestellten Leerlaufspannung bestimmt, welche sich in üblicher Weise als Produkt der Motorkennzahl mit der Wunschdrehzahl ergibt – um ein Produkt des Betrags des virtuellen negativen Widerstands mit dem gemessenen Strom erhöht wird, wobei eine Konstanthaltung der Drehzahl bei anliegendem Lastmoment dann erzielt wird, wenn der Betrag des negativen Widerstands exakt dem Betrag des Innenwiderstands des Motors entspricht. Ähnlich kann bei einem einstellbaren Tastverhältnis vorgegangen werden, wobei dann zur Ermittlung des erhöhten Tastverhältnisses noch eine Division durch die Versorgungsspannung notwendig ist. Man kann also sagen, dass bei einer Erhöhung des Stromes zur Kompensation eine Erhöhung der dem Motor effektiv zugeführten Eingangsspannung erfolgt, mithin diese nicht mehr allein durch die Solldrehzahl und die Motorkennzahl bestimmt wird.
Wie bereits erwähnt, kann die vorliegende Erfindung sowohl über eine hauptsächlich digitale Baugruppe, insbesondere nach Art eines Digitalreglers, wie auch durch eine analoge Baugruppe, beispielsweise eine komplett analoge Schaltung, realisiert werden, wie im Folgenden nun genauer dargelegt werden soll.
So kann in einer ersten Alternative der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass bei einer wenigstens teilweise digitalen Baugruppe ein Stromsensor, ein Schaltmittel zur Änderung der Eingangsspannung des Motors oder des Tastverhältnisses der Eingangsspannung des Motors und eine Steuereinheit vorgesehen sind, wobei die Steuereinheit zur Ansteuerung des Schaltmittels in Abhängigkeit des gemessenen Stroms durch den Motor ausgebildet ist. Es wird also ein Stromsensor verwendet, dessen Messwerte einer Steuereinheit zugeführt werden, in der entsprechende Algorithmen abgelegt sind, die beispielsweise die Eingangsspannung des Motors selbst oder ihr Tastverhältnis nach den oben bereits beschriebenen Regeln verändern, um eine Drehzahlregelung, insbesondere eine Konstanthaltung der Drehzahl, zu erreichen. Soll beispielsweise die Eingangsspannung erhöht werden, so kann die grundsätzlich zur Verfügung gestellte wunschdrehzahlabhängige Leerlaufspannung um einen Wert erhöht werden, der proportional zu dem von dem Stromsensor gemessenen Strom durch den Motor ist, wobei die Proportionalitätskonstante dem Betrag des virtuellen negativen Widerstands entspricht. Analog kann für das Tastverhältnis vorgesehen sein, dass sich das Tastverhältnis eben nicht allein aus dem Produkt der Solldrehzahl mit der Motorkennzahl (also der wunschdrehzahlabhängigen Leerlaufspannung) ergibt, sondern dass, bevor zur Ermittlung des Tastverhältnisses durch die Versorgungsspannung dividiert wird, auch hier eine dem gemessenen Strom proportionale Größe addiert wird, wobei wiederum die Proportionalitätskonstante dem Betrag des virtuellen negativen Widerstands entspricht.
Es sei dabei an dieser Stelle angemerkt, dass es selbstverständlich besonders vorteilhaft ist, wenn die Versorgungsspannung, welche beispielsweise eine Bordnetzspannung sein kann, relativ konstant gehalten werden kann. Ist dies nicht möglich, so kann zweckmäßigerweise vorgesehen sein, dass zur weiteren Verbesserung der Regelung ein Spannungssensor zur Messung einer Versorgungsspannung vorgesehen ist, wobei die Steuereinheit zur Berücksichtigung der Versorgungsspannung bei der Ansteuerung des Schaltmittels ausgebildet ist. Dann können auch Schwankungen der Versorgungsspannung berücksichtigt werden.
Es wird an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass das Schaltmittel selbstverständlich auch Teil einer sogenannten H-Brücke sein kann und/oder dass zwei Schaltmittel einer H-Brücke als Schaltmittel der Baugruppe ansprechbar sind. H-Brücken weisen eine H-förmige Schaltungsstruktur auf, in der der Motor im „Querbalken” des H verschaltet ist, während an den vier Armen des H jeweils ein Schaltmittel vorgesehen ist. Auf diese Weise ist es möglich, den Motor in zwei Polungen zu betreiben, mithin auf einfache Weise die Betriebsrichtung des Motors zu ändern, indem jeweils auf das gegenüberliegende Schaltmittel umgeschaltet wird. Eines der jeweils geschlossenen Schaltmittel kann dann gleichzeitig noch das Schaltmittel der Baugruppe bilden, wobei das auf dem spannungstragenden H-Arm liegende Schaltmittel zu verwenden ist. Insbesondere dann, wenn mit einem Tastverhältnis im Rahmen einer Pulsweitenmodulation gearbeitet wird, bietet sich eine derartige Ausgestaltung an.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Schaltmittel den integrierten Stromsensor oder einen Anschluss zur Messung des Stroms durch den Stromsensor aufweist. Solche Schaltmittel sind im Stand der Technik bereits bekannt und weithin erhältlich, beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das Schaltmittel eine Mehrzahl von Feldeffekttransistoren, insbesondere MOSFETs umfasst, wobei der Drain-Anschluss eines Feldeffekttransistors zur Ermittlung des Stromes mit dem Stromsensor verbunden ist. Schaltmittel, die beispielsweise durch eine Anordnung von einigen hunderten oder tausend Feldeffekttransistoren gebildet werden, sind bekannt, wobei diese dann beispielsweise parallel verbunden sein können. Dies gilt dann für alle Feldeffekttransistoren bis auf einen einzigen, dessen Drain-Anschluss, beispielsweise in Form eines Pins, von außen abgegriffen werden kann, um eine Strombestimmung zu ermöglichen, da dieser Pin dann genau den Bruchteil des Stromes wiedergibt, der der Zahl der gleichartigen Feldeffekttransistoren, insbesondere MOSFETs, entspricht.
Häufig ist der Innenwiderstand eines verwendeten Motors bereits dem vom Hersteller mitgegebenen Datenblatt sehr genau zu entnehmen. Dennoch kann selbstverständlich auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung, insbesondere, wenn mit einer Veränderung gerechnet werden muss, vorgesehen sein, dass eine Messvorrichtung zum Messen des Innenwiderstands bei blockiertem Motor vorgesehen ist. Beispielsweise kann bei blockiertem Motor über den Stromsensor eine Messung vorgenommen werden, aus der der Innenwiderstand dann bestimmt werden kann. Situationen, in denen Gleichstrommotoren eingesetzt werden, die ohnehin während ihres Betriebs blockieren, sind bereits bekannt, es sei lediglich beispielhaft auf den Stellmotor eines Fensterhebers in einem Kraftfahrzeug verwiesen. Zu diesem Zeitpunkt kann dann eine Messung des Innenwiderstands vorgenommen werden, so dass von dem tatsächlichen Wert des Innenwiderstands ausgegangen werden kann und die Regelung weiter verbessert wird.
Es ist bereits bekannt, dass der Innenwiderstand von Motoren auch temperaturabhängig sein kann, was sich insbesondere auswirkt, wenn der Motor ohnehin größeren Temperaturschwankungen ausgesetzt ist, was beispielsweise in einem Kraftfahrzeug häufig vorkommt. Dann kann vorgesehen sein, dass die Baugruppe ferner einen Temperatursensor umfasst und die Steuereinheit zur Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit des Innenwiderstands im Rahmen eines Temperaturmodells ausgebildet ist. Solche Temperaturmodelle und die sie kennzeichnenden Größen sind im Stand der Technik bereits bekannt, wobei häufig auf den Datenblättern der Motoren bereits die entsprechenden Parameter des Temperaturmodells mitgeliefert werden, so dass sie durch die Steuereinheit verwendet werden können, um auch die Temperaturabhängigkeit des Innenwiderstands zu berücksichtigen und somit eine weitere Verbesserung der Regelung zu erreichen.
In einer alternativen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung zu dem hier beschriebenen wenigstens teilweise digitalen Ansatz kann vorgesehen sein, dass bei einer analogen Baugruppe ein eine von dem gemessenen Strom durch den Motor abhängige Kompensationsspannung erzeugender, insbesondere kalibrierbarer Verstärker und ein Addierer zum Hinzufügen der Kompensationsspannung zu einer Versorgungsspannung vorgesehen sind. Es ist also auch denkbar, eine rein analoge Schaltung vorzusehen, wenn eine geeignete Umsetzung einer den Strom durch den Motor beschreibenden Spannung in eine Kompensationsspannung möglich ist. Hierzu kann zweckmäßigerweise vorgesehen sein, dass als Eingangssignal für den Verstärker eine über einen Shuntwiderstand abgegriffene Signalspannung dient. Es wird also dem Motor ein Shuntwiderstand nachgeschaltet, über den eine Spannung abgegriffen werden kann, die dem Strom über den Shuntwiderstand, der niederohmig sein kann, proportional ist. Diese Signalspannung wird dann über den Verstärker verstärkt, um die Kompensationsspannung zu erhalten, die der wunschdrehzahlabhängigen Leerlaufspannung hinzugefügt wird. Letztere kann im Übrigen durch ein dem Addierer vorgeschaltetes Spannungsstellglied aus einer Versorgungsspannung erzeugt werden.
Weiter kann vorgesehen sein, dass zwischen dem Verstärker und dem Addierer ein Tiefpass geschaltet ist und/oder dem Addierer eine Leistungsendstufe nachgeschaltet ist. Dabei wird die Zeitkonstante des Tiefpassfilters größer als die elektrische Zeitkonstante und kleiner als die mechanische Zeitkonstante des Motors gewählt, beispielsweise im Bereich von einer Millisekunde. Mit Hilfe des Tiefpassfilters können vorteilhaft Schwingungen des elektrischen Systems vermieden werden. Dagegen dient die Leistungsendstufe zum Treiben des Stroms; sie wird mit einer Verstärkung von 1 gewählt. Sie stellt also den notwendigen Strom zum Betrieb des Motors zur Verfügung.
Mit besonderem Vorteil kann in dieser analogen Ausgestaltung auch vorgesehen sein, dass wenigstens zwei Bauelemente aus der Gruppe umfassend den Addierer, den Verstärker und gegebenenfalls die Leistungsendstufe als ein Operationsverstärker realisiert sind. So können gegebenenfalls Bauelemente eingespart werden.
Allgemein kann in weiterer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vorzugsweise eine zur Detektion einer nicht mehr möglichen Kompensation des Innenwiderstandes ausgebildete Fehlerdetektionseinheit vorgesehen sein. Das bedeutet, es wird überprüft, ob der negative Widerstand durch die entsprechende Schaltung überhaupt noch hinreichend erzeugt werden kann beziehungsweise ob sonstige Systemgrenzen, beispielsweise eine Temperaturgrenze für den Motor, erreicht sind. Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass parallel zu dem Verstärker im analogen Fall ein Komparator geschaltet wird, der dann, wenn an ihm eine bestimmte Spannung anliegt, ein entsprechendes Fehlersignal ausgibt. Im Falle einer digitalen Schaltung können geeignete Systemgrenzen bereits in einer Steuereinheit hinterlegt sein.
Die entsprechende Fehlerinformation kann beispielsweise genutzt werden, um bei einer detektierten nicht mehr möglichen Kompensation den Motor zu deaktivieren und/oder eine Fehlermeldung auszugeben, insbesondere an einen Benutzer und/oder einen Fehlerspeicher. Auf diese Weise können also Schäden am Motor oder dergleichen vermieden werden, wenn beispielsweise das Lastmoment nicht mehr überwunden werden kann und/oder eine Temperaturüberhöhung des Motors droht.
Wie bereits erwähnt, werden derartige Motoren häufig in Kraftfahrzeugen eingesetzt, so dass in einem Kraftfahrzeug besonders vorteilhaft an einem, insbesondere allen, Gleichstrommotoren eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Steuerung der Drehzahl des elektrisch betriebenen Gleichstrommotors vorgesehen werden kann. Auf diese Weise kann insbesondere eine Konstanthaltung der Drehzahl von Stellmotoren und sonstigen Motoren in einem Kraftfahrzeug erreicht werden; auch die übrigen Vorteile der vorliegenden Erfindung lassen sich in einem Kraftfahrzeug erzielen. Sämtliche beschriebenen Ausführungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich auch in einem Kraftfahrzeug anwenden.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
1 ein Kraftfahrzeug mit einem Gleichstrommotor und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 eine prinzipielle Funktionsskizze der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
3 die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer digitalen Baugruppe, und
4 die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer rein analogen Baugruppe.
1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1, in dem ein Gleichstrommotor 2 vorgesehen ist. Der Gleichstrommotor 2 kann beispielsweise ein Stellmotor sein, beispielsweise für einen Fensterheber, es ist jedoch auch möglich, dass es sich um einen Lüftermotor oder gar einen Antriebsmotor handelt. Um die Drehzahl des Motors auch bei Einwirken eines Lastmoments konstant zu halten, ist erfindungsgemäß vorgesehen, eine Vorrichtung 3 zur Steuerung der Drehzahl, insbesondere zur Konstanthaltung der Drehzahl des Motors 2 vorzusehen. Diese Vorrichtung 3 kann beispielsweise, wie auch in der Figur angedeutet, zwischen eine Gleichspannungsquelle 4 zum Betrieb des Motors, beispielsweise ein Bordnetz, und den Motor 2 geschaltet sein.
2 zeigt nun eine Prinzipskizze der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung 3. Dabei wird für die Zwecke der 2 davon ausgegangen, dass die Gleichstromquelle 4 bereits eine wunschdrehzahlabhängige Leerlaufspannung U_S liefert, die dem Produkt der Motorkennzahl c mit der Wunschdrehzahl ω_S entspricht: U_S = c·ω_S.
Würde nun der Motor 2 vollkommen lastfrei laufen, wäre die Solldrehzahl ω_S gleich der Ist-Drehzahl ω. Die drehzahlabhängige Leerlaufspannung wird also letztlich so gewählt, dass sie die Solldrehzahl im Leerlauf wiedergibt.
Nun weist aber, wie allgemein bekannt, ein Gleichstrommotor 2 durch seine Konstruktion einen gewissen Innenwiderstand R_i auf, der in 2 mit dem Bezugszeichen 5 gekennzeichnet ist. Mithin fällt innerhalb des Motors 2 nur ein Teil der Spannung, U_i, zur Erzeugung der Drehzahl ab, das bedeutet U_i = c·ω, während gleichzeitig eine Spannung aufgrund des Innenwiderstands R_i entsteht, die stromabhängig ist, das bedeutet,
wobei I der durch den Motor 2 fließende Strom ist.
Stromabhängig, also mit steigendem auf die Welle wirkenden Lastmoment am Motor 2, sinkt also vorliegend aufgrund des Innenwiderstands R_i die Drehzahl ω ab.
Dieser Drehzahlabfall soll nun durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 3 kompensiert werden, welche, wie ebenfalls in 2 angedeutet, hierzu einen virtuellen negativen Widerstand R, in 2 mit dem Bezugszeichen 6 bezeichnet, erzeugt, also zur Konstanthaltung der Drehzahl R = –R_i.
Auf diese Weise egalisieren sich also die am Innenwiderstand R_i und am virtuellen negativen Widerstand R abfallenden Spannungen, so dass die die Solldrehzahl bestimmende Leerlaufspannung U_S die Drehzahl bestimmt, welche mithin konstant ist.
Nachdem negative Widerstände physikalisch nicht existieren, wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 3 eine Baugruppe vorgesehen, welche die selbe Wirkung erzielt. Dabei wird das Prinzip verwendet, dass die Eingangsspannung des Motors 2 (also die über den gesamten Motor 2 incl. Innenwiderstand R_i anliegende Spannung) beziehungsweise das Tastverhältnis dieser Eingangsspannung in Abhängigkeit des durch den Motor 2 fließenden Stroms I verändern wird. Dabei sollen im Folgenden mit Hilfe der 3 und 4 zwei verschiedene Ausführungsbeispiele dargestellt werden, von denen eines digitale Bauelemente vorsieht, das andere jedoch rein analog realisiert ist.
Zunächst sei jedoch grundsätzlich das Prinzip der vorliegenden Erfindung nochmals in zwei zentralen Formeln zusammengefasst. So soll dem Motor 2 bei einer Veränderung der Eingangsspannung eine Eingangsspannung zugeführt werden, die sich ergibt über U = c·ω_S + R·I (1).
Wird der Motor 2, incl. der Einstellung der Solldrehzahl ω_S über ein Tastverhältnis gesteuert, also mittels Pulsweitenmodulation, so ergibt sich für das durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 3 letztlich zu erzielende Tastverhältnis TVH
wobei U₀ einer für die Zwecke der Erfindung als bereits konstant gehalten angenommenen Versorgungsspannung entspricht, beispielsweise einer 12 V-Gleichspannung aus dem Bordnetz.
3 zeigt eine digitale Realisierung einer Baugruppe der erfindungsgemäßen Vorrichtung 3. Dabei wird im in 3 dargestellten Fall über die Gleichspannungsquelle 4 eine konstante Versorgungsspannung U₀ zur Verfügung gestellt, während die aktuell gewünschte Drehzahl durch Pulsweitenmodulation über ein entsprechend ansteuerbares Schaltmittel 7 realisiert werden soll. Vorliegend erfolgt die Pulsweitenmodulation jedoch nicht nur aufgrund der gewünschten Solldrehzahl ω_S, sondern es wird auch der virtuelle negative Widerstand berücksichtigt, das Tastverhältnis ergibt sich also letztlich nach der Formel (2).
Hierzu ist zur Ansteuerung des Schaltmittels 7 eine Steuereinheit 8 vorgesehen, die über einen geeigneten Algorithmus das Tastverhältnis aus der Vorgabe für die Solldrehzahl ω_S, einem über einen Spannungssensor 9 erhaltenen Wert für die Versorgungsspannung U₀ und einem durch ein Stromsensor 10 mit einem geringen Shuntwiderstand 11 gewonnenen Wert für den Strom I ermittelt. Die Motorkennzahl c ist aus dem Datenblatt des Motors bekannt.
Wird die Formel (2) verwendet, kann also die Drehzahl des Motors im Rahmen der Systemgrenzen durch entsprechende Ansteuerung des Schaltmittels 7 konstant gehalten werden. Diese Grenzen werden im Übrigen über eine als Teil der Steuereinheit 8 vorgesehene Fehlerdetektionseinheit 12 überwacht, wobei dann, wenn eine Kompensation nicht mehr möglich ist oder gar eine Überhitzung des Motors 2 auftritt, eine Maßnahme vorgesehen sein kann, beispielsweise eine Deaktivierung des Motors 2 und/oder die Ausgabe einer Fehlermeldung. So werden Schäden verhindert, beispielsweise, wenn aufgrund eines zu großen Lastmoments der Motor 2 nicht mehr in der Lage ist, seine Stellfunktion zu erfüllen oder dergleichen. Die Steuereinheit 8 kann dabei im Übrigen als ein Mikroprozessor oder auch als ein übliches Steuergerät realisiert werden.
Eine optionale, vorteilhafte Erweiterung der in 3 dargestellten Baugruppe ist in 3 lediglich gestrichelt dargestellt. Darin kann über einen Temperatursensor 13 auch die Temperatur des Motors 2 gemessen werden. Die Steuereinheit 8 ist nun dazu ausgebildet, die Temperaturabhängigkeit des Innenwiderstands R₁ im Rahmen eines Temperaturmodells ebenso zu berücksichtigen, um eine noch bessere Steuerung/Konstanthaltung der Drehzahl des Motors 2 zu ermöglichen. Die entsprechenden Parameter für das Temperaturmodell sind in vielen Fällen bereits auf dem Datenblatt des verwendeten Motors 2 mitgeliefert.
Möglich ist es jedoch auch, dass die Steuereinheit 8 gleichzeitig als Messvorrichtung zum Messen des Innenwiderstands R_i bei blockiertem Motor 2 vorgesehen ist, wobei der Innenwiderstand R_i natürlich auch dem Datenblatt entnommen werden kann. Jedoch sind Motoren bekannt – beispielsweise der Stellmotor eines Fensterhebers – die ohnehin innerhalb ihres Betriebs blockieren, so dass eine eigene Messung vorgenommen werden wird, da dann Strom und Spannung am blockierten Motor 2 allein durch den Innenwiderstand R_i bestimmt werden.
Obwohl das Schaltmittel 7 und der Stromsensor 10 im vorliegenden Beispiel als getrennte Bauelemente gezeichnet sind, ist es auch möglich, dass das Schaltmittel 7 bereits den Stromsensor 10 integriert enthält oder zumindest einen Anschluss zur Messung des Stroms durch den Stromsensor 11 aufweist. Beispielsweise sind Schaltmittel 7 bekannt, die eine Mehrzahl von Feldeffekttransistoren umfassen, wobei der Drain-Anschluss eines Feldeffekttransistors zur Ermittlung des Stromes mit dem Stromsensor 11 verbunden sein kann.
4 zeigt nun eine mögliche rein analoge Ausführung einer Baugruppe der erfindungsgemäßen Vorrichtung 3. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Gleichspannungsquelle 2, welche hier einstellbar ist, bereits eine die gewünschte Drehzahl ω_S vorgebende Leerlaufspannung liefert. Die grundsätzliche Idee ist es hier, über einen Shuntwiderstand R_S, in der Figur auch mit dem Bezugszeichen 14 bezeichnet, eine Signalspannung abzugreifen, die das Eingangssignal für einen Verstärker 15 bildet, der diese auf eine Kompensationsspannung verstärkt, die zur Konstanthaltung der Drehzahl dienen soll, indem die Kompensationsspannung mittels eines Addierers 16 zu der Leerlaufspannung hinzufügt wird, vgl. auch Formel (1).
Um eine lastunabhängige Konstanthaltung der Motordrehzahl zu erreichen, ist zu beachten, dass auch der Shuntwiderstand R_S zu kompensieren ist; auch der Zuleitungswiderstand zum Motor 2 kann berücksichtigt werden. Zur Konstanthaltung der Drehzahl bei verschiedenen Lastmomenten an der Welle des Motors 2 ergibt sich mithin für die Verstärkung
Soll auch der Zuleitungswiderstand berücksichtigt werden, kann dieser in R_i enthalten sein. Die Verstärkung V kann beispielsweise in einem Kalibriervorgang eingestellt werden.
Es sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass in allen Ausführungsbeispielen selbstverständlich nicht immer die Einstellung so gewählt werden muss, dass die Drehzahl konstant bleibt. Denkbar ist es auch, die Algorithmen in der Steuereinheit 8 oder die Verstärkung im Verstärker 15 so zu wählen, dass bei steigendem Lastmoment die Drehzahl sogar noch erhöht wird.
Wie aus 4 weiter ersichtlich ist, ist ferner ein Tiefpass 17 vorgesehen, dessen Zeitkonstante größer als die elektrische Zeitkonstante des Motors 2 und kleiner als die mechanische Zeitkonstante des Motors 2 gewählt wird, beispielsweise im Bereich von einer Millisekunde, um Schwingungen des elektrischen Systems zu vermeiden.
Ferner ist eine Leistungsendstufe 18 vorgesehen, die eine Verstärkung von 1 aufweist und den notwendigen Strom zum Betrieb des Motors 2 zur Verfügung stellt.
Es sei noch angemerkt, dass die Stufen 15, 16 und 18 mit ein oder zwei Operationsverstärkern zusammengefasst werden können. Die Funktionsgrenzen dieser analogen Schaltung liegen in der zur Verfügung stehenden Versorgungsspannung, beispielsweise aus dem Bordnetz, dem Versorgungsstrom und der thermischen Belastbarkeit des Motors 2. Selbstverständlich kann auch in diesem Fall eine Federdetektionseinheit 12 vorgesehen werden, welche der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt ist.
Wie bereits erwähnt, kann die Verstärkung V des Verstärkers 15 erfindungsgemäß genau auf konstante Drehzahl eingestellt werden. Denkbar ist es jedoch auch, die Verstärkung geringer oder größer zu wählen, so dass infolge einer größeren Verstärkung der Motor 2 mit einem steigenden Lastmoment die Drehzahl proportional erhöht. Infolge einer geringeren Verstärkung würde der Motor mit steigendem Lastmoment die Drehzahl proportional verringern, allerdings weniger, als wenn der Motor 2 einfach mit konstanter Spannung betrieben würde.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 4408442 A1 [0003]

Claims

Vorrichtung (3) zur Steuerung, insbesondere Konstanthaltung, der Drehzahl eines elektrisch betriebenen Gleichstrommotors (2), dadurch gekennzeichnet, dass eine einen Innenwiderstand (5) des Motors (2) durch einen erzeugten virtuellen negativen Widerstand (6) kompensierende analoge und/oder digitale Baugruppe vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenwiderstand (5) wenigstens zeitweise überkompensierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Baugruppe zur Veränderung einer Eingangsspannung des Motors (2) und/oder des Tastverhältnisses der Eingangsspannung in Abhängigkeit des durch den Motor (2) fließenden Stroms ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer wenigstens teilweise digitalen Baugruppe ein Stromsensor (10), ein Schaltmittel (7) zur Änderung der Eingangsspannung des Motors (2) oder des Tastverhältnisses der Eingangsspannung des Motors (2) und eine Steuereinheit (8) vorgesehen sind, wobei die Steuereinheit (8) zur Ansteuerung des Schaltmittels (7) in Abhängigkeit des gemessenen Stroms durch den Motor (2) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spannungssensor (9) zur Messung einer Versorgungsspannung vorgesehen ist, wobei die Steuereinheit (8) zur Berücksichtigung der Versorgungsspannung bei der Ansteuerung des Schaltmittels (7) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltmittel (7) den integrierten Stromsensor (10) oder einen Anschluss zur Messung des Stroms durch den Stromsensor (10) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltmittel (7) eine Mehrzahl von Feldeffekttransistoren umfasst, wobei der Drain-Anschluss eines Feldeffekttransistors zur Ermittlung des Stromes mit dem Stromsensor (10) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messvorrichtung zum Messen des Innenwiderstands bei blockiertem Motor (2) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Baugruppe ferner einen Temperatursensor (13) umfasst und die Steuereinheit (8) zur Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit des Innenwiderstands (5) im Rahmen eines Temperaturmodells ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer analogen Baugruppe ein eine von dem gemessenen Strom durch den Motor (2) abhängige Kompensationsspannung erzeugender, insbesondere kalibrierbarer Verstärker (15) und ein Addierer (16) zum Hinzufügen der Kompensationsspannung zu einer die gewünschte Drehzahl vorgebenden Leerlaufspannung vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Eingangssignal für den Verstärker (15) eine über einen Shuntwiderstand (14) abgegriffene Signalspannung dient.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Verstärker (15) und dem Addierer (16) ein Tiefpass (17) geschaltet ist und/oder dem Addierer (16) eine Leistungsendstufe (18) nachgeschaltet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Bauelemente aus der Gruppe umfassend den Addierer (16), den Verstärker (15) und gegebenenfalls die Leistungsendstufe (18) als ein Operationsverstärker realisiert sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zur Detektion einer nicht mehr möglichen Kompensation des Innenwiderstandes (5) ausgebildete Fehlerdetektionseinheit (12) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer detektierten nicht mehr möglichen Kompensation der Motor (2) deaktiviert wird und/oder eine Fehlermeldung ausgegeben wird, insbesondere an einen Benutzer und/oder einen Fehlerspeicher.