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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Drehzahl einer Einrichtung.
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Stand der Technik
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Zu einer Drehzahlerfassung wird herkömmlicherweise in periodischen Abständen eine Umdrehungsdauer gemessen, aus der in periodischen Abständen eine Drehzahl ermittelt wird. Bekannt ist auch, zur Ermittlung der Drehzahl eine Zählung von Impulsen durchzuführen, die mittels eines Drehzahlgebers (wie z.B. ein Magnetrad), der in Segmente (z.B. Pole des Magnetrads) aufgeteilt ist, erzeugt werden. Dabei werden pro definierten Zeiten Impulse gezählt und daraus unter Berücksichtigung einer Polpaarzahl des Elektromotors die Drehzahl ermittelt. Es ist ferner auch bekannt, Zeiten zwischen den Impulsen zu ermitteln, aus denen Drehzahlen berechnet werden.
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Die genannten herkömmlichen Verfahren weisen als Nachteil allesamt eine relativ grobe Auflösung auf. Dies liegt insbesondere daran, dass zur Erfassung der Drehzahl Umdrehungsdauermessungen ganzer Umdrehungen einer Welle des Elektromotors durchgeführt werden. Bei langsam drehenden Einrichtungen oder bei Einrichtungen, die rapiden Drehzahlschwankungen unterliegen, kann eine Zeit zwischen zwei Messungen größer sein als eine Zeitbasis einer Umdrehung des Motors, die beispielsweise von einer Speisefrequenz einer elektrischen Speisespannung abhängt. Dadurch kann beispielsweise eine Erkennung des rapiden Drehzahlabfalls sowie eine entsprechende Regelung nachteiliger Weise verzögert sein. Ferner kann aus der Zeitmessung eines einzelnen Drehzahlgebersegments (z.B. bei einem Magnetrad) aufgrund einer unsymmetrischen Aufteilung eines einzelnen Segments (z.B. Pole bei einem Magnetrad) die Drehzahl nicht genau ermittelt werden.
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Im Falle, dass sich eine Einrichtung sehr langsam dreht, kann es sein, dass die Umdrehungszeit länger ist als eine Zeitbasis, die einem festen zeitlichen Abstand zwischen den erwarteten Impulsen entspricht. Nachteiliger Weise ist mittels der beschriebenen bekannten Verfahren keine genaue Drehzahl ermittelbar.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Ermittlung einer Drehzahl bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird gelöst mittels eines Verfahrens zum Ermitteln einer Drehzahl einer Einrichtung, wobei die Einrichtung einen Drehzahlgeber aufweist, auf welchem über einen radialen Umfang verteilt Segmente angeordnet sind, wobei die Einrichtung relativ zum Drehzahlgeber einen im Wesentlichen ortsfesten Sensor aufweist, aufweisend:
- – Kontinuierliches Ermitteln von Durchlaufzeiten aller Segmente relativ zum Sensor,
- – Kontinuierliches Ermitteln von Umdrehungszeiten des Drehzahlgebers durch Summieren der Durchlaufzeiten aller Segmente, und
- – Kontinuierliches Ermitteln der Drehzahl aus den Umdrehungszeiten; wobei die Umdrehungszeiten nach jedem Durchlauf eines Segments relativ zum Sensor ermittelt werden, wobei zur Ermittlung jeder Umdrehungszeit die aktuellsten Durchlaufzeiten aller Segmente verwendet werden.
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Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens können Drehzahlen der Einrichtung vorteilhaft genauer und öfter als mit den herkömmlichen Verfahren ermittelt werden, da zu einer Ermittlung eines aktuellen Werts der Gesamtumdrehungsdauer die jeweils zuletzt ermittelten Durchlaufzeiten aller Segmente verwendet werden. Dies liegt daran, dass die Gesamtumdrehungszeit nach jedem Durchlauf eines Segments vor dem Sensor ermittelt wird, wodurch auch die Drehzahlen wesentlich öfter und aktueller ermittelt werden. Dadurch ist es vorteilhaft möglich, eine schnellere Reaktion auf abrupte Drehzahländerungen der Einrichtung vorzunehmen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Segmente unterschiedliche Bogenlängen aufweisen. Dadurch ist auch bei einer auf diese Weise gebildeten unsymmetrischen Ausbildung der Segmente eine genaue Erfassung der aktuellen Umdrehungsdauer bzw. Drehzahl der Einrichtung unterstützt. Das Verfahren ist somit vorteilhaft von einer konkreten Ausgestaltung der Segmentlängen unabhängig.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass der Drehzahlgeber als ein Magnetrad ausgebildet ist, wobei eine Anzahl der Segmente mit einer Anzahl von Polen des Magnetrads korreliert, wobei eine Anzahl der Segmente maximal gleich der Anzahl der Pole ist. Dadurch sind auf vorteilhafte Weise eine einfache Ausgestaltung und Anpassung des Verfahrens und eine hohe Genauigkeit der Drehzahlerfassung unterstützt.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass die Segmente des Drehzahlgebers softwaretechnisch implementiert sind. Auf diese Weise kann das erfindungsgemäße Verfahren in einfacher Weise ohne jegliche Hardwareanpassungen der Einrichtung durchgeführt werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand dreier Figuren im Detail erläutert. Die Figuren sind vor allem dazu gedacht, um die erfindungswesentlichen Prinzipien zu erläutern. Konkrete Abmessungen, Konstruktionsmerkmale oder irgendwelche Parameter können den Figuren nicht entnommen werden.
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In den Figuren zeigt:
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1 eine prinzipielle Darstellung eines in Segmente unterteilten Drehzahlgebers einer Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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2 eine prinzipielle Darstellung des Drehzahlgebers nach einer vollen Umdrehung; und
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3 eine prinzipielle Darstellung des Drehzahlgebers nach einer segmentweisen Weiterdrehung
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1 zeigt in prinzipieller Darstellung einen als ein Magnetrad 10 eines Elektromotors (nicht dargestellt) ausgebildeten Drehzahlgeber, wobei das Magnetrad 10 auf seinem radialen Umfang gleichmäßig verteilt acht Pole 30 aufweist. Jeder der Pole 30 entspricht dabei in konstruktiver Hinsicht einem Magnetpol mit einem magnetischen Nord- oder Südpol. Das Magnetrad 10 kann beispielsweise als ein Lüfter-Magnetrad für einen Elektromotor eines Elektrowerkzeugs ausgebildet sein. Der Umfang des Magnetrads 10 mit den Polen 30 ist aus drehzahlermittlungstechnischen Gründen in vier einzelne, bogenförmige Segmente A, B, C, D unterteilt, wobei jeweils zwei Pole 30 einem der Segmente A, B, C, D zugeordnet sind. Eine Anzahl der Pole 30 korreliert mit einer Anzahl der Segmente A, B, C, D und muss mindestens zwei betragen, wobei eine Anzahl der Segmente A, B, C, D maximal gleich einer Anzahl der Pole 30 sein kann. Im Ausführungsbeispiel der 1 bis 3 ist eine Anzahl der Segmente A, B, C, D halb so groß wie eine Anzahl der Pole 30 (vier Segmente, acht Pole).
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In der Figur weisen die Segmente A, B, C, D jeweils eine gleiche Bogenlänge auf, es ist jedoch auch möglich, dass die Segmente A, B, C, D jeweils unterschiedliche Bogenlängen aufweisen und derart über den radialen Umfang des Magnetrads 10 verteilt sind. Innerhalb des Elektromotors ist relativ zum Magnetrad 10 ein Sensor 20 im Wesentlichen ortsfest angeordnet. Der Sensor 20 dient zu einer Erfassung von Durchlaufzeiten der Segmente A, B, C, D vor dem Sensor 20. Zu diesem Zweck ist der Sensor 20 in der Lage, einen Anfang und ein Ende jedes Segments A, B, C, D zu detektieren (z.B. mittels bekannter optischer oder induktiver Geberprinzipien) und daraus resultierend die Zeit zu ermitteln, die jedes Segment A, B, C, D zu einer vollständigen Vorbeibewegung am Sensor 20 benötigt. Diese Zeiten werden im Kontext mit dem erfindungsgemäßen Verfahren als Durchlaufzeiten der Segmente A, B, C, D bezeichnet.
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2 zeigt eine prinzipielle Darstellung des Magnetrads 10 nach einer ersten vollen Umdrehung relativ zum Sensor 20, wobei die Segmente A, B, C, D zu einem besseren Verständnis des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Indizes versehen sind. Dabei entspricht A1 einer ersten vollendeten Umdrehung bzw. Vorbeibewegung des Segments A vor dem Sensor 20. B1 entspricht einer ersten vollendeten Umdrehung bzw. Vorbeibewegung des Segments B vor dem Sensor 20. C1 entspricht einer ersten vollendeten Umdrehung bzw. Vorbeibewegung des Segments C vor dem Sensor 20. D1 entspricht einer ersten vollendeten Umdrehung bzw. Vorbeibewegung des Segments D vor dem Sensor 20. Eine Drehrichtung des Magnetrads 10 des Elektromotors ist durch einen Drehrichtungspfeil angedeutet, wobei das erfindungsgemäße Verfahren von der Drehrichtung unabhängig ist.
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Zu einer Erfassung einer Gesamtumdrehungszeit bzw. -dauer des Magnetrads 10 wird erfindungsgemäß nunmehr in periodischen Abständen eine Summation von ermittelten Durchlaufzeiten jeweils aller Segmente A, B, C, D in folgender Weise durchgeführt: t = A1 + B1 + C1 + D1 (erste Umdrehung des Magnetrads 10 vollendet)
- t
- Zeitpunkt der Ermittlung der Umdrehungszeit
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3 zeigt prinzipiell, dass eine Ermittlung einer nächsten Umdrehungsdauer zu einem Zeitpunkt t1 (nachfolgend dem Zeitpunkt t) durchgeführt wird, wenn sich das Magnetrad 10 um ein Segment weitergedreht hat. Im Ausführungsbeispiel der 3 entspricht die Weiterdrehung um ein Segment einer Vierteldrehung des Magnetrads 10. Dabei ist der Index des Segments A um eins auf zwei erhöht. Durch die Bezeichnung A2 soll also angedeutet werden, dass die Durchlaufzeit des Segments A vor dem Sensor 20 und mittels des Sensors 20 bereits ein zweites Mal erfasst worden ist. Zu diesem Zweck hat sich also das Segment A bereits ein zweites Mal vor dem Sensor 20 vorbeibewegt.
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Es wird nunmehr zu einer Ermittlung der Umdrehungszeit des Magnetrads 10 also die aktuellste Durchlaufzeit A2 des Segments A und die bereits erfassten Durchlaufzeiten der Segmente B, C und D herangezogen. Dies lässt sich mathematisch in folgender Weise darstellen: t1 = B1 + C1 + D1 + A2
- t1
- Zeitpunkt der Ermittlung der Umdrehungszeit
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Eine Ermittlung einer weiteren Umdrehungszeit wird zu einem Zeitpunkt t2 (nachfolgend t1) durchgeführt, wenn sich das Magnetrad 10 wiederum um ein Segment weitergedreht hat (nicht dargestellt). Es wird nunmehr zur Ermittlung der Gesamtumdrehungszeit des Magnetrads 10 die aktuellste Durchlaufzeit B2 des Segments B und die bereits erfassten Durchlaufzeiten der Segmente C, D und A verwendet. Die zum Zeitpunkt t2 ermittelte Umdrehungszeit lässt sich somit mathematisch in folgender Weise darstellen: t2 = C1 + D1 + A2 + B2
- t2
- Zeitpunkt der Ermittlung der Umdrehungszeit
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Eine weitere Ermittlung der Umdrehungszeit des Magnetrads 10 wird zu einem Zeitpunkt t3 (nachfolgend t2) durchgeführt, wenn sich das Magnetrad 10 wiederum um ein Segment weitergedreht hat (nicht dargestellt), so dass nunmehr zur Berechnung der Umdrehungsdauer die aktuellste Durchlaufzeit C2 des Segments C mit den bereits erfassten Durchlaufzeiten der Segmente D, A und B herangezogen wird. Dies lässt sich mathematisch in folgender Weise darstellen: t3 = D1 + A2 + B2 + C2
- t3
- Zeitpunkt der Ermittlung der Umdrehungszeit
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Eine weitere Ermittlung der Umdrehungszeit wird zu einem Zeitpunkt t4 (nachfolgend t3) durchgeführt, wenn sich das Magnetrad 10 wiederum um ein Segment weitergedreht hat, so dass nunmehr zur Ermittlung der Umdrehungsdauer des Magnetrads 10 die aktuellste Durchlaufzeit D2 des Segments D mit den bereits erfassten Durchlaufzeiten der Segmente A, B und C verwendet wird. Dies lässt sich mathematisch in folgender Weise darstellen: t4 = A2 + B2 + C2 + D2 (zweite Umdrehung des Magnetrads 10 vollendet)
- t4
- Zeitpunkt der Ermittlung der Umdrehungszeit
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Mittels des anhand der 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist zwischen zwei Umdrehungen des Magnetrads 10 eine Umdrehungszeiterfassung bzw. Drehzahlmessung vier Mal erfolgt und damit wesentlich häufiger als bei den herkömmlichen Verfahren.
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Es ist aus den obigen Erläuterungen also erkennbar, dass die Ermittlung der Umdrehungszeit des Magnetrads 10 periodisch in Zeitintervallen durchgeführt wird, die jeweils einem Durchlauf eines Segments A, B, C, D vor dem Sensor 20 entspricht. Dabei wird zu einer Erfassung der Gesamtumdrehungsdauer aller Segmente A, B, C, D bzw. des Magnetrads 10 als Teilumdrehungszeit eine jeweils aktuell ermittelte Durchlaufzeit eines der Segmente A, B, C, D verwendet.
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Auf diese Weise kann – in Abhängigkeit von der Anzahl der Segmente – eine Umdrehungsdauer bzw. eine Drehzahl aus der Umdrehungsdauer vorteilhaft wesentlich öfter ermittelt werden als mittels der genannten herkömmlichen Verfahren. Deshalb kann auch eine Regelung des Elektromotors wesentlich schneller auf abrupte Drehzahländerungen reagieren. Vorteilhaft ist beispielsweise eine Sicherheitsfunktionalität einer sogenannten Kick-Back-Erkennung, die einen rapiden Drehzahlabfall erkennt und eine Abschaltung des Elektromotors bzw. geeignete Regelungsschritte für den Elektromotor durchführt, sehr rasch möglich.
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Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hat vorteilhaft eine unsymmetrische Ausbildung der Polpaare 30 – und damit der Segmente A, B, C, D – keine nachteiligen Auswirkungen auf eine Genauigkeit der durchgeführten Drehzahlmessungen.
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Die Implementierung der Segmente A, B, C, D im Elektromotor kann vorzugsweise mittels Software für eine Steuerungselektronik erfolgen, wodurch vorteilhaft keinerlei hardwaremäßigen Änderungen am Elektromotor erforderlich sind. Eine einfache, kostengünstige und schnelle Änderung von Längen der einzelnen Segmente A, B, C, D ist auf diese Weise unterstützt. Die Erfindung ist für jede Art von Elektromotor mit einem Magnetrad (Anker/Läufer), beispielsweise für einen Universalmotor oder für einen bürstenlosen Gleichstrommotor anwendbar. Insbesondere ist die Erfindung auch sehr nützlich für einen beliebigen Elektromotor, der in einem Elektrowerkzeug verwendet wird, dessen Drehzahlmessung mittels einer internen Elektronik durchgeführt wird.
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Zusammenfassend wird eine segmentbasierte Umdrehungsdauermessung zum Ermitteln einer Drehzahl einer Einrichtung vorgeschlagen, wobei Umdrehungszeiten periodisch in Segmentdurchläufen entsprechenden Zeitabständen ermittelt werden. Aufgrund der segmentweisen Erfassung der Umdrehungszeiten wird eine höhere Abtastrate erzielt, wodurch es vorteilhaft möglich ist, eine Drehzahlberechnung wesentlich häufiger durchzuführen. Gegenüber herkömmlichen Verfahren können bei gleicher Zeitbasis vorteilhaft wesentlich niedrigere Drehzahlen erfasst werden. Eine verzögerte Regelung aufgrund von zu langsamer, veralteter Drehzahlinformation ist auf diese Weise im Wesentlichen ausgeschlossen. Sicherheitstechnische Merkmale des Elektromotors, die eine Drehzahlinformation in Echtzeit erfordern, wie zum Beispiel eine Kick-Back-Detektion bei einem Elektrowerkzeug, werden erfindungsgemäß begünstigt.
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Für den Fachmann ist es selbstverständlich, dass die beschriebenen Merkmale der Erfindung in fachmännischer Weise abgeändert und kombiniert werden können.
