DE102012205942A1

DE102012205942A1 - Kommutatormotor

Info

Publication number: DE102012205942A1
Application number: DE201210205942
Authority: DE
Inventors: Matthias Jacob
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-04-12
Filing date: 2012-04-12
Publication date: 2013-10-17

Abstract

Bei einem Kommutatormotor (100) mit einem Kommutator (185), der einen an einer Kollektorlauffläche in Schleifkontakt mit zugeordneten Bürsten (187, 197) stehenden Kollektor (183) aufweist, der elektrisch leitend mit einer Motorwicklung verbunden ist, die im Betrieb des Kommutatormotors (100) ein Wechselspannungssignal erzeugt, das einem über die Bürsten (187, 197) und den Kollektor (183) der Motorwicklung zugeführten Gleichspannungsversorgungssignal überlagert ist, wobei das Wechselspannungssignal und das Gleichspannungsversorgungssignal ein resultierendes Motorspannungssignal (215) bilden, das einen niederfrequenten Basisspannungsanteil (216) und eine Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen (217, 218, 219) aufweist, ist ein Hochpassfilter (210) vorgesehen, der dazu ausgebildet ist, durch eine Extrahierung der Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen (217, 218, 219) aus dem resultierenden Motorspannungssignal (215) ein hochpassgefiltertes Spannungssignal (225) zu erzeugen, das zumindest die Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen (217, 218, 219) aufweist.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kommutatormotor mit einem Kommutator, der einen an einer Kollektorlauffläche in Schleifkontakt mit zugeordneten Bürsten stehenden Kollektor aufweist, der elektrisch leitend mit einer Motorwicklung verbunden ist, die im Betrieb des Kommutatormotors ein Wechselspannungssignal erzeugt, das einem über die Bürsten und den Kollektor der Motorwicklung zugeführten Gleichspannungsversorgungssignal überlagert ist, wobei das Wechselspannungssignal und das Gleichspannungsversorgungssignal ein resultierendes Motorspannungssignal bilden, das einen niederfrequenten Basisspannungsanteil und eine Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen aufweist.
Aus dem Stand der Technik sind derartige Kommutatormotoren bekannt, die zur Kommutierung ausgebildete Kommutatoren und eine zugeordnete Motorwicklung aufweisen. Diese haben einen an einer Kollektorlauffläche in Schleifkontakt mit zugeordneten Bürsten stehenden Kollektor, der an einem Rotor des Kommutatormotors vorgesehen ist und eine Vielzahl voneinander beabstandeter Lamellen aufweist. Über die in zugeordneten Bürstenhaltern in einem vorgegebenen Bürstenwinkel relativ zueinander angeordneten Bürsten, z. B. Kohlebürsten, und die voneinander beabstandeten Lamellen des Kollektors wird der Motorwicklung ein zum Betrieb des Kommutatormotors erforderlicher Motorstrom von einer an die Kohlebürsten angelegten Gleichspannungsversorgungsquelle zugeführt. Dieser Motorstrom weist aufgrund der bei der Kommutierung an den Kohlebürsten auftretenden Lamellenwechseln eine Welligkeit mit entsprechenden Stromspitzen auf, die bei den Lamellenwechseln entstehen. Die Stromspitzen werden im Allgemeinen als „Stromrippel“ bezeichnet und können z. B. zur Bestimmung einer jeweiligen Motorpositionierung und Motordrehzahl bzw. Drehstellung und Drehzahl des Rotors ausgewertet werden.
Darüber hinaus erzeugt die Motorwicklung im Betrieb des Kommutatormotors bei Lamellenwechseln aufgrund der in der Motorwicklung jeweils gespeicherten Energie ein Wechselspannungssignal, das bei Lamellenwechseln durch Rückkopplung einem über die Bürsten und den Kollektor der Motorwicklung zugeführten Gleichspannungsversorgungssignal von der Gleichspannungsversorgungsquelle überlagert ist. Das Wechselspannungssignal und das Gleichspannungsversorgungssignal bilden ein resultierendes Motorspannungssignal, das einen niederfrequenten Basisspannungsanteil und eine Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen aufweist. Dieses resultierende Motorspannungssignal kann ebenfalls z. B. zur Bestimmung einer jeweiligen Motorpositionierung und Motordrehzahl bzw. Drehstellung und Drehzahl des Rotors ausgewertet werden.
Nachteilig am Stand der Technik ist, dass gebräuchliche Kommutatormotoren lediglich zur Auswertung von Stromrippelsignalen, jedoch nicht zur Auswertung der resultierenden Motorspannungssignale geeignet sind.
Offenbarung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen neuen Kommutatormotor bereit zu stellen, bei dem eine sensorlose Motorpositionierung und -drehzahlerfassung durch Auswertung eines resultierenden Motorspannungssignals ermöglicht wird.
Dieses Problem wird gelöst durch einen Kommutatormotor mit einem Kommutator, der einen an einer Kollektorlauffläche in Schleifkontakt mit zugeordneten Bürsten stehenden Kollektor aufweist, der elektrisch leitend mit einer Motorwicklung verbunden ist, die im Betrieb des Kommutatormotors ein Wechselspannungssignal erzeugt, das einem über die Bürsten und den Kollektor der Motorwicklung zugeführten Gleichspannungsversorgungssignal überlagert ist. Das Wechselspannungssignal und das Gleichspannungsversorgungssignal bilden ein resultierendes Motorspannungssignal, das einen niederfrequenten Basisspannungsanteil und eine Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen aufweist. Ein Hochpassfilter ist vorgesehen, der dazu ausgebildet ist, durch eine Extrahierung der Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen aus dem resultierenden Motorspannungssignal ein hochpassgefiltertes Spannungssignal zu erzeugen, das zumindest die Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen aufweist.
Die Erfindung ermöglicht somit durch die Verwendung eines unkomplizierten und kostengünstigen Hochpassfilters die Auswertung eines resultierenden Motorspannungssignals, aus dem die bei der Kommutierung bei entsprechenden Lamellenwechseln von der Motorwicklung rückgekoppelten, hochfrequenten Spannungsspitzen zur sensorlosen Erfassung von Motorpositionierung und -drehzahl auf einfache Art und Weise extrahiert werden können.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Hochpassfilter an die Bürsten angeschlossen, um das resultierende Motorspannungssignal unmittelbar an den Bürsten abzugreifen.
Die Erfindung ermöglicht somit eine Erfassung der bei der Kommutierung bei entsprechenden Lamellenwechseln von der Motorwicklung rückgekoppelten, hochfrequenten Spannungsspitzen unmittelbar im Bereich des Entstehungsorts, sodass eine Verzerrung hiervon durch nachgeschaltete Bauteile des Kommutatormotors, wie z. B. Entstörungskomponenten usw., auf einfache Art und Weise verhindert werden kann.
Das resultierende Motorspannungssignal kann ein hochfrequentes Rauschen aufweisen, das dem niederfrequenten Basisspannungsanteil überlagert ist, wobei der Hochpassfilter bevorzugt dazu ausgebildet ist, das hochpassgefilterte Spannungssignal auf Basis von der Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen und dem hochfrequenten Rauschen zu erzeugen.
Somit kann eine Beeinflussung der Auswertung bzw. Verarbeitung des resultierenden Motorspannungssignals durch das hochfrequente Rauschen sicher und zuverlässig verhindert werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist ein Verstärker zur Verstärkung des hochpassgefilterten Spannungssignals vorgesehen, um eine Verstärkung der hochfrequenten Spannungsspitzen zu verstärkten Spannungsspitzen zu bewirken.
Die Erfindung ermöglicht somit die Erzeugung eines robusten und zur weiteren Auswertung bzw. Verarbeitung mit einer ausreichenden Amplitude versehenen Spannungssignals.
Der Verstärker ist bevorzugt dazu ausgebildet, das hochfrequente Rauschen zu unterdrücken.
Somit kann das hochfrequente Rauschen auf einfache Art und Weise unterdrückt werden.
Der Verstärker weist bevorzugt ein proportionales Verstärkungsverhalten auf.
Somit kann ein sicherer und zuverlässiger Verstärker Anwendung finden.
Gemäß einer Ausführungsform ist ein Tiefpassfilter zur Erzeugung eines tiefpassgefilterten Spannungssignals vorgesehen, in dem die verstärkten Spannungsspitzen eine vorgegebene, zeitliche Verbreiterung aufweisen.
Die Erfindung ermöglicht somit unter Verwendung eines unkomplizierten und kostengünstigen Bauteils die Erzeugung eines stabilen Spannungssignals, in dem die Spannungsspitzen zur weiteren Auswertung mit einer ausreichenden zeitlichen Breite ausgebildet sind.
Der Tiefpassfilter ist bevorzugt dazu ausgebildet, das tiefpassgefilterte Spannungssignal mit verbreiterten Spannungsspitzen zu erzeugen, die die verstärkten Spannungsspitzen repräsentieren und jeweils eine durch eine zugeordnete Zeitdauer vorgegebene Breite aufweisen.
Somit kann ein robustes, auswertbares Spannungssignal bereitgestellt werden. Gemäß einer Ausführungsform ist ein A/D-Wandler zur Erzeugung eines zur Motorsteuerung verwendbaren, digitalen Ausgangssignals durch A/D-Umwandlung des tiefpassgefilterten Spannungssignals vorgesehen.
Somit kann auf einfache Art und Weise ein z. B. durch einen zugeordneten Mikroprozessor auswertbares bzw. weiter zu verarbeitendes Ausgangssignal bereitgestellt werden.
Das digitale Ausgangssignal weist bevorzugt zumindest annähernd rechteckförmige Impulse auf, die die verbreiterten Spannungsspitzen repräsentieren. Bevorzugt weisen die zumindest annähernd rechteckförmigen Impulse eine vorgegebene Impulsdauer auf.
Somit kann ein ausreichend stabiles und robustes Ausgangssignal zur Auswertung z. B. durch einen zugeordneten Mikroprozessor bereitgestellt werden.
Das Eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Kommutatormotors, der einen Kommutator aufweist, der mit einem an einer Kollektorlauffläche in Schleifkontakt mit zugeordneten Bürsten stehenden Kollektor versehen ist, der elektrisch leitend mit einer Motorwicklung verbunden ist, die im Betrieb des Kommutatormotors ein Wechselspannungssignal erzeugt, das einem über die Bürsten und den Kollektor der Motorwicklung zugeführten Gleichspannungsversorgungssignal überlagert ist. Das Wechselspannungssignal und das Gleichspannungsversorgungssignal bilden ein resultierendes Motorspannungssignal, das einen niederfrequenten Basisspannungsanteil und eine Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen aufweist. Eine Extrahierung der Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen aus dem resultierenden Motorspannungssignal wird mit einem dem Kommutatormotor zugeordneten Hochpassfilter ausgeführt und ein hochpassgefiltertes Spannungssignal wird erzeugt, das zumindest die Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen aufweist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines Kommutatormotors mit einem zugeordneten Getriebe gemäß einer Ausführungsform,
2 eine schematische Ansicht des Kommutatormotors von 1 mit einer zugeordneten Signalaufbereitungseinheit sowie von dieser gemessenen und erzeugten Signalen,
3 ein Messdiagramm von im Betrieb des Kommutatormotors von 1 und 2 von der Auswerteeinheit von 2 gemessenem Motorstrom, resultierender Motorspannung sowie hochpassgefilterter und verstärkter Motorspannung gemäß einer Ausführungsform, und
4 ein vergrößerter Ausschnitt des Messdiagramms von 3.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt einen mit Stator- und Rotorkomponenten 181 bzw. 182 versehenen Kommutatormotor 100 mit einer Motorwelle 184 gemäß einer Ausführungsform, der illustrativ in einem Motorgehäuse 180 angeordnet ist. Die Statorkomponenten 181 weisen beispielhaft Permanentmagneten 186 auf und die Rotorkomponenten 182 beispielhaft einen Rotor- bzw. Eisenkern 188 mit einer zur Vereinfachung der Zeichnung nur abschnittsweise gezeigten Motorwicklung 199.
Der Kommutatormotor 100 kann z. B. als Antriebsmotor für einen elektrischen Fensterheber, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, Anwendung finden. Hierzu ist der Motor 100 illustrativ mit einem in einem Getriebegehäuse 120 angeordneten Getriebe 110 verbunden, das von der Motorwelle 184 z. B. zur Betätigung eines zugeordneten Fensterhebers antreibbar ist.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Kommutatormotor 100 zur Kommutierung einen Kommutator 185 mit einem vorgegebenen Kommutatordurchmesser auf und kann derart steuer- bzw. regelbar sein, dass sowohl ein Reversierbetrieb, als auch Vorgaben hinsichtlich einer gewünschten Drehgeschwindigkeit realisierbar sind. Die Funktionsweise und der Aufbau eines geeigneten Kommutatormotors sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt, sodass hier zwecks Knappheit der Beschreibung auf eine eingehende Beschreibung verzichtet wird.
Illustrativ umfasst der Kommutator 185 einen Kollektor 183, der an einer zugeordneten Kollektorlauffläche 189 mit zwei oder mehr Bürsten 187, 197 einen Schleifkontakt herstellt, sodass dem Motor 100 im Betrieb über die Bürsten 187, 197 und den Kollektor 183 ein geeigneter Motorstrom zugeführt werden kann. Zur Zuführung dieses Motorstroms zum Motor 100 sind die Bürsten 187, 197 mit einer zugeordneten Gleichspannungsversorgungsquelle 108, 109 elektrisch leitend verbunden, die hier zur Vereinfachung der Zeichnung lediglich schematisch durch ihren Pluspol 108 und ihren Minuspol 106 angedeutet ist und die zur Zuführung eines zugeordneten Gleichspannungsversorgungssignals (311 in 3) zur Motorwicklung 199 ausgebildet ist.
Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Beschreibung einer Gleichspannungsversorgungsquelle lediglich beispielhaften Charakter hat und nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen ist. Vielmehr kann auch eine Wechselspannungsversorgungsquelle zur Bereitstellung eines Wechselspannungsversorgungssignals Anwendung finden, wobei das Wechselspannungsversorgungssignals z. B. durch geeignete Transformatorelemente in ein geeignetes Gleichspannungsversorgungssignal umgewandelt wird.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Bürsten 187, 197 mit einer Signalaufbereitungseinheit 200 verbunden, die unten bei 2 beschrieben ist. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Signalaufbereitungseinheit 200 hier schematisch unmittelbar an die Bürsten 187, 197 angeschlossen ist, die Erfindung jedoch nicht auf diese Einschränkung festgelegt ist. Vielmehr können alternativ zwischen die Signalaufbereitungseinheit 200 und die Bürsten 187, 197 noch weitere elektronische Bauteile verschaltet werden, z. B. Filterkomponenten zur Filterung von elektromagnetischen Störsignalen usw., oder die Signalaufbereitungseinheit kann unmittelbar an die Gleichspannungsversorgungsquelle 108, 109 angeschlossen werden.
Die Bürsten 187, 197 sind in einem zugeordneten Bürstenhalter 140 angeordnet, der z. B. nach Art eines einstückigen Spritzgussteils ausgebildet ist, und weisen jeweils eine Bürstenbreite auf, die z. B. im Bereich von 1,8 mm bis 3,0 mm liegt. Mindestens eine der Bürsten 187, 197 kann kohlehaltiges Material aufweisen und ist z. B. nach Art einer Kohlebürste ausgebildet.
Der Kollektor 183 ist in einer in Richtung von Pfeilen 150 gesehenen, vergrößerten Draufsicht 160 verdeutlicht und weist illustrativ eine Vielzahl von ringförmig angeordneten Lamellen 168, 169, 170, 171, 172, 173, 174, 175, 176, 177, 178, 179 auf, deren Außenumfang die Kollektorlauffläche 189 ausbilden. Die Anzahl der Lamellen 168, 169, 170, 171, 172, 173, 174, 175, 176, 177, 178, 179 ist z. B. gleich einem ganzzahligen Vielfachen von vier. Die Lamellen 168, 169, 170, 171, 172, 173, 174, 175, 176, 177, 178, 179 sind illustrativ an einem den Rotorkomponenten 182 zugeordneten Befestigungselement 190 befestigt. Dieses Befestigungselement 190 ist z. B. eine Rotorwelle 190, die mit dem Rotorkern 188 verbunden oder an diesen angeformt ist.
Der Rotorkern 188 weist beispielhaft eine Vielzahl von Polsegmenten auf, zwischen denen zugeordnete Nuten bzw. Schlitze zur Aufnahme der Motorwicklung 199 ausgebildet sind. Illustrativ weist der Rotorkern 188 zwölf Polsegmente 128, 129, 130, 131, 132, 133, 134, 135, 136, 137, 138, 139 auf, die jeweils einen Zahnabschnitt und einen zugeordneten Jochabschnitt haben. Z. B. hat das Polsegment 130 einen Zahnabschnitt 192 und einen Jochabschnitt 194. Der Rotorkern 188 ist somit zwölfnutig ausgebildet und darüber hinaus gemäß einer Ausführungsform vierpolig am Stator 181 ausgestaltet. Die Motorwicklung 199 ist zur Vereinfachung der Zeichnung lediglich am Polsegment 139 gezeigt; dem Fachmann ist jedoch hinreichend bekannt, wie die Motorwicklung 199 vollständig am Rotorkern 188 angeordnet werden kann.
Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass der vierpolige Kommutatormotor 100 lediglich beispielhaft zwölfnutig ausgebildet ist und nicht zur Einschränkung der Erfindung. Vielmehr kann der vierpolige Kommutatormotor 100 wie oben beschrieben eine Anzahl von Lamellen und somit eine Anzahl von Nuten aufweisen, die gleich einem ganzzahligen Vielfachen von vier ist, sodass die vorliegende Erfindung z. B. auch bei sechzehnnutigen oder achtnutigen, vierpoligen Kommutatormotoren Anwendung finden kann.
Im Betrieb des Kommutatormotors 100 wird der Motorwicklung 199 von der Gleichspannungsversorgungsquelle 108, 109 über den Kommutator 185, d. h. über die Bürsten 187, 197 und den Kollektor 183, ein Gleichspannungsversorgungssignal (311 in 3) zugeführt, um die Rotorwelle 190 und somit die Motorwelle 184 in Drehungen zu versetzen. Hierdurch wird der Kollektor 183 relativ zu den Bürsten 187, 197 verdreht, sodass durch entsprechende, an den Bürsten 187, 197 auftretende Lamellenwechsel Kommutierungen des Kommutators 185 bewirkt werden. Unter einem derartigen Lamellenwechsel wird im Kontext der vorliegenden Erfindung verstanden, dass z. B. bei einer Drehung der Rotorwelle 190 im Uhrzeigersinn zunächst die Lamelle 174 an der Bürste 197 anliegt, dann die Lamelle 173, dann die Lamelle 172 usw.
Durch das Gleichspannungsversorgungssignal (311 in 3) wird in der Motorwicklung 199 eine Energie erzeugt, die von der Motorwicklung 199 in Form eines Wechselspannungssignals (315 in 3) auf die Bürsten 187, 197 rückgekoppelt und dem Gleichspannungsversorgungssignal (311 in 3) überlagert wird, sodass dieses und das rückgekoppelte Wechselspannungssignal (315 in 3) ein resultierendes Motorspannungssignal (310 in 3) bilden. Dieses resultierende Motorspannungssignal (310 in 3) weist einen dem Gleichspannungsversorgungssignal (311 in 3) zugeordneten, niederfrequenten Basisspannungsanteil (312 in 3) sowie ein dem Wechselspannungssignal (315 in 3) zugeordnetes, hochfrequentes Rauschen (313 in 3) und eine Vielzahl von dem Wechselspannungssignal (315 in 3) zugeordneten, hochfrequenten Spannungsspitzen (314 in 3) auf, wie unten bei 3 beschrieben.
Die Spannungsspitzen (314 in 3) entstehen jeweils bei einer entsprechenden Abkommutierung, d. h. wenn eine entsprechende Lamelle, z. B. Lamelle 174, vollständig von einer zugeordneten Bürste, z. B. Bürste 197, weggedreht ist und diese sich ausschließlich gegenüber einer unmittelbar nachfolgenden Lamelle, z. B. Lamelle 173, befindet. Ebenso können Spannungsspitzen bei der Aufkommutierung erzeugt werden, sobald die Bürste eine neue Lamelle berührt. Das hochfrequente Rauschen (313 in 3) kann z. B. durch extrinsische Störgrößen, wie z. B. EMV- und/oder ESD-Strahlung entstehen.
Das resultierende Motorspannungssignal (310 in 3) wird von der Signalaufbereitungseinheit 200 erfasst und aufbereitet, wie nachfolgend bei 2 beschrieben.
2 zeigt den Kommutatormotor 100 von 1 mit der Signalaufbereitungseinheit 200 gemäß einer Ausführungsform. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass der Kommutatormotor 100 in 2 zwecks Vereinfachung und Übersichtlichkeit der Zeichnung lediglich schematisch mit dem Kommutator 185, dem Kollektor 183 und den Bürsten 187, 197 abgebildet ist.
Wie bei 1 beschrieben wird der Signalaufbereitungseinheit 200 von dem Kommutatormotor 100 über die Bürsten 187, 197 ein schematisch abgebildetes, resultierendes Motorspannungssignal 215 zugeführt, wie mit einem Pfeil 202 angedeutet. Dieses hat, wie ebenfalls bei 1 beschrieben, einen beispielhaften niederfrequenten Basisspannungsanteil 216, dem illustrativ ein hochfrequentes Rauschen 214 überlagert ist, sowie eine beispielhafte Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen 217, 218, 219.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Signalaufbereitungseinheit 200 mindestens einen Hochpassfilter 210, mindestens einen Verstärker 220, mindestens einen Tiefpassfilter 230 und mindestens einen Analog-/Digital-(A/D-)Wandler 240 auf. Der Hochpassfilter 210 kann zur Erfassung des resultierenden Motorspannungssignals 215 unmittelbar an die Bürsten 187, 197 oder alternativ hierzu auch an Minus- und Pluspol (106, 108 in 1) der dem Kommutatormotor 100 zugeordneten Gleichspannungsversorgungsquelle (106, 108 in 1) angeschlossen sein.
Der Hochpassfilter 210 kann z. B. mittels eines RC-Glieds realisiert werden und ist beispielhaft dazu ausgebildet, ein hochpassgefiltertes Spannungssignal 225 zumindest auf Basis von der Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen 217, 218, 219 zu erzeugen und dem Verstärker 220 zuzuführen, wie mit einem Pfeil 212 angedeutet. Hierbei wird vom Hochpassfilter 210 durch eine Extrahierung der Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen 217, 218, 219 aus dem resultierenden Motorspannungssignal 215 das hochpassgefilterte Spannungssignal 225 derart erzeugt, das dieses zumindest die Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen 217, 218, 219 in Form von gefilterten Spannungsspitzen 227, 228, 229 aufweist. Darüber hinaus kann auch das hochfrequente Rauschen 214 in dem hochpassgefilterten Spannungssignal 225 repräsentiert sein, wie beispielhaft mit einem Bezugszeichen 226 angedeutet, sodass auch das hochfrequente Rauschen 214 bei der Erzeugung des hochpassgefilterten Spannungssignals 225 vom Hochpassfilter 210 berücksichtigt wird.
Der Verstärker 220 weist z. B. ein proportionales Verstärkungsverhalten auf und ist beispielhaft zumindest zur Verstärkung des hochpassgefilterten Spannungssignals 225 ausgebildet, um eine Verstärkung der hochfrequenten Spannungsspitzen 217, 218, 219 bzw. der gefilterten Spannungsspitzen 227, 228, 229 zu verstärkten Spannungsspitzen 237, 238, 239 zu bewirken. Darüber hinaus kann der Verstärker 220 eine Tiefpass-Charakteristik aufweisen, die dazu dient, das hochfrequente Rauschen 226 zu unterdrücken, sodass der Verstärker 220 gemäß einer Ausführungsform auf Basis des hochpassgefilterten Spannungssignals 225 ein verstärktes Spannungssignal 235 erzeugt, das im Wesentlichen nur noch die verstärkten Spannungsspitzen 237, 238, 239 aufweist. Dieses verstärkte Spannungssignal 225 wird dem Tiefpassfilter 230 zugeführt, wie beispielhaft mit einem Pfeil 222 angedeutet.
Der Tiefpassfilter 230 ist beispielhaft dazu ausgebildet, ausgehend von dem verstärkten Spannungssignal 225 ein tiefpassgefiltertes Spannungssignal 245 zu erzeugen, in dem die verstärkten Spannungsspitzen 237, 238, 239 eine vorgegebene, zeitliche Verbreiterung aufweisen. Anders ausgedrückt ist der Tiefpassfilter 230 dazu ausgebildet, das tiefpassgefilterte Spannungssignal 245 mit verbreiterten Spannungsspitzen 247, 248, 249 zu erzeugen, die die verstärkten Spannungsspitzen 237, 238, 239 repräsentieren und illustrativ jeweils eine durch eine zugeordnete Zeitdauer T vorgegebene Breite aufweisen. Dieses tiefpassgefilterte Spannungssignal 245 wird dem A/D-Wandler 240 zugeführt, wie beispielhaft mit einem Pfeil 232 angedeutet.
Der A/D-Wandler 240 kann z. B. mit einem Schnitt-Trigger realisiert werden und dient beispielhaft zumindest zur Erzeugung eines zur Motorsteuerung verwendbaren, digitalen Ausgangssignals 255 durch A/D-Umwandlung des tiefpassgefilterten Spannungssignals 245. Hierbei ist das digitale Ausgangssignal 255 gemäß einer Ausführungsform zur weiteren Verarbeitung bzw. Auswertung z. B. durch einen Mikroprozessor verwendbar, um auf Basis des digitalen Ausgangssignals zumindest eine präzise Bestimmung von Motorpositionierung und -drehzahl zu ermöglichen.
Illustrativ ist der A/D-Wandler 240 zumindest dazu ausgebildet, das digitale Ausgangssignal 255 derart zu erzeugen, dass dieses annähernd rechteckförmige Impulse 257, 258, 259 aufweist, die die verbreiterten Spannungsspitzen 247, 248, 249 repräsentieren. Hierbei weisen die zumindest annähernd rechteckförmigen Impulse 257, 258, 259 beispielhaft eine vorgegebene Impulsdauer TI auf, die die oben beschriebene, weitere Verarbeitung bzw. Auswertung ermöglichen bzw. gewährleisten.
Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Signale 215, 225, 235, 245, 255 nur schematisch dargestellte Signalformen aufweisen und lediglich beispielhaften Charakter haben. Insbesondere dienen diese schematisch dargestellten Signalformen nur zur Verdeutlichung einer beispielhaften Funktionsweise des Kommutatormotors 100 und der Signalaufbereitungseinheit 200 und sind deshalb nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen. Dies wird nachfolgend bei 3 und 4 verdeutlicht, in der beispielhafte Messdiagramme zur Illustration von realen Signalverläufen gezeigt sind.
3 zeigt ein beispielhaftes Messdiagramm 300 mit illustrativen zeitlichen Verläufen eines resultierenden Motorspannungssignals 310, eines Motorstromsignals 320 sowie eines hochpassgefilterten und verstärkten, resultierenden Motorspannungssignals 330. Ein vergrößerter Ausschnitt 350 des Messdiagramms 300 ist bei 4 beschrieben.
Das resultierende Motorspannungssignal 310 wird in 2 von dem schematisch abgebildeten Signal 215 repräsentiert und beruht wie bei 1 beschrieben auf einem der Motorwicklung 199 von 1 zugeführten Gleichspannungsversorgungssignal 311, dem ein von der Motorwicklung 199 von 1 erzeugtes Wechselspannungssignal 315 überlagert ist. Dementsprechend weist das resultierende Motorspannungssignal 310 einen dem Gleichspannungsversorgungssignal 311 zugeordneten, niederfrequenten Basisspannungsanteil 312 sowie ein dem Wechselspannungssignal 315 zugeordnetes, hochfrequentes Rauschen 313 und eine Vielzahl von dem Wechselspannungssignal 315 zugeordneten, hochfrequenten Spannungsspitzen auf. Beispielhaft sind zur Vereinfachung und Übersichtlichkeit der Zeichnung nur drei Spannungsspitzen mit dem Bezugszeichen 334 gekennzeichnet, die in 2 von den Spannungsspitzen 217, 218, 219 repräsentiert werden.
Das hochpassgefilterte und verstärkte, resultierende Motorspannungssignal 330 wird in 2 von dem schematisch abgebildeten Signal 235 repräsentiert und weist lediglich die zu verstärkten Spannungsspitzen 334 umgewandelten bzw. verstärkten Spannungsspitzen 314 des resultierenden Motorspannungssignals 310 auf. Diese verstärkten Spannungsspitzen 334 werden in 2 von den verstärkten Spannungsspitzen 237, 238, 239 repräsentiert.
Das Motorstromsignal 320 beruht wie oben beschrieben auf einem der Motorwicklung 199 von 1 über die Bürsten 187, 197 von 1 und 2 zugeführten Motorstrom 323, der aufgrund von bei der Kommutierung an den Bürsten 187, 197 von 1 und 2 auftretenden Lamellenwechseln eine Welligkeit 321 mit entsprechenden Stromspitzen aufweist, die bei den Lamellenwechseln entstehen. Beispielhaft sind zur Vereinfachung und Übersichtlichkeit der Zeichnung nur drei Stromspitzen mit dem Bezugszeichen 322 gekennzeichnet, die auch als „Stromrippel“ bezeichnet werden. Der niederfrequente Basisspannungsanteil (216; 312) weist beispielsweise etwa die gleiche Periodendauer auf, wie die Periodendauer des Stromrippel-Signals. Die hochfrequenten Spannungsspitzen (217, 218; 219, 314) hingegen haben eine Impulsdauer, die deutlich kürzer ist als die Periodendauer des Basisspannungsanteils (216; 312). Dabei wiederholen sich die Spannungsspitzen beispielsweise mit der Periodendauer des Basisspannungsanteils (216; 312), oder eines Bruchteils davon.
4 zeigt ein beispielhaftes Messdiagramm 400, das den Ausschnitt 350 der in dem Messdiagramm 300 von 3 gezeigten, zeitlichen Verläufe des resultierenden Motorspannungssignals 310, des Motorstromsignals 320 sowie des hochpassgefilterten und verstärkten, resultierenden Motorspannungssignals 330 aufweist. Beispielhaft sind im resultierenden Motorspannungssignal 310 drei Spannungsspitzen mit dem Bezugszeichen 414 gekennzeichnet und im hochpassgefilterten und verstärkten, resultierenden Motorspannungssignal 330 illustrativ drei korrespondierende, verstärkte Spannungsspitzen mit dem Bezugszeichen 434. Im Motorstromsignal 320 sind beispielhaft drei Stromrippel mit dem Bezugszeichen 422 gekennzeichnet.

Claims

Kommutatormotor (100) mit einem Kommutator (185), der einen an einer Kollektorlauffläche (189) in Schleifkontakt mit zugeordneten Bürsten (187, 197) stehenden Kollektor (183) aufweist, der elektrisch leitend mit einer Motorwicklung (199) verbunden ist, die im Betrieb des Kommutatormotors (100) ein Wechselspannungssignal (315) erzeugt, das einem über die Bürsten (187, 197) und den Kollektor (183) der Motorwicklung (199) zugeführten Gleichspannungsversorgungssignal (311) überlagert ist, wobei das Wechselspannungssignal (315) und das Gleichspannungsversorgungssignal (311) ein resultierendes Motorspannungssignal (215; 310) bilden, das einen niederfrequenten Basisspannungsanteil (216; 312) und eine Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen (217, 218, 219; 314) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hochpassfilter (210) vorgesehen ist, der dazu ausgebildet ist, durch eine Extrahierung der Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen (217, 218, 219; 314) aus dem resultierenden Motorspannungssignal (215; 310) ein hochpassgefiltertes Spannungssignal (225) zu erzeugen, das zumindest die Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen (217, 218, 219; 314) aufweist.
Kommutatormotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochpassfilter (210) an die Bürsten (187, 197) angeschlossen ist, um das resultierende Motorspannungssignal (215; 310) unmittelbar an den Bürsten (187, 197) abzugreifen.
Kommutatormotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das resultierende Motorspannungssignal (215; 310) ein hochfrequentes Rauschen (312) aufweist, das dem niederfrequenten Basisspannungsanteil (216; 312) überlagert ist, wobei der Hochpassfilter (210) dazu ausgebildet ist, das hochpassgefilterte Spannungssignal (225) auf Basis von der Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen (217, 218, 219; 314) und dem hochfrequenten Rauschen (312) zu erzeugen.
Kommutatormotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verstärker (220) zur Verstärkung des hochpassgefilterten Spannungssignals (225) vorgesehen ist, um eine Verstärkung der hochfrequenten Spannungsspitzen (227, 228, 229; 314) zu verstärkten Spannungsspitzen (237, 238, 239) zu bewirken.
Kommutatormotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker (220) dazu ausgebildet ist, das hochfrequente Rauschen (226; 312) zu unterdrücken.
Kommutatormotor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker (220) ein proportionales Verstärkungsverhalten aufweist.
Kommutatormotor nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Tiefpassfilter (230) zur Erzeugung eines tiefpassgefilterten Spannungssignals (245) vorgesehen ist, in dem die verstärkten Spannungsspitzen (237, 238, 239) eine vorgegebene, zeitliche Verbreiterung aufweisen.
Kommutatormotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiefpassfilter (230) dazu ausgebildet ist, das tiefpassgefilterte Spannungssignal (245) mit verbreiterten Spannungsspitzen (247, 248, 249) zu erzeugen, die die verstärkten Spannungsspitzen (237, 238, 239) repräsentieren und jeweils eine durch eine zugeordnete Zeitdauer (T) vorgegebene Breite aufweisen.
Kommutatormotor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein A/D-Wandler (240) zur Erzeugung eines zur Motorsteuerung verwendbaren, digitalen Ausgangssignals (255) durch A/D-Umwandlung des tiefpassgefilterten Spannungssignals (245) vorgesehen ist.
Kommutatormotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das digitale Ausgangssignal (255) zumindest annähernd rechteckförmige Impulse (257, 258, 259) aufweist, die die verbreiterten Spannungsspitzen (247, 248, 249) repräsentieren.
Kommutatormotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest annähernd rechteckförmigen Impulse (257, 258, 259) eine vorgegebene Impulsdauer (TI) aufweisen.
Verfahren zum Betrieb eines Kommutatormotors (100), der einen Kommutator (185) aufweist, der mit einem an einer Kollektorlauffläche (189) in Schleifkontakt mit zugeordneten Bürsten (187, 197) stehenden Kollektor (183) versehen ist, der elektrisch leitend mit einer Motorwicklung (199) verbunden ist, die im Betrieb des Kommutatormotors (100) ein Wechselspannungssignal (315) erzeugt, das einem über die Bürsten (187, 197) und den Kollektor (183) der Motorwicklung (199) zugeführten Gleichspannungsversorgungssignal (311) überlagert ist, wobei das Wechselspannungssignal (315) und das Gleichspannungsversorgungssignal (311) ein resultierendes Motorspannungssignal (215; 310) bilden, das einen niederfrequenten Basisspannungsanteil (216; 312) und eine Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen (217, 218, 219; 314) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Extrahierung der Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen (217, 218, 219; 314) aus dem resultierenden Motorspannungssignal (215; 310) mit einem dem Kommutatormotor (100) zugeordneten Hochpassfilter (210) ausgeführt wird und ein hochpassgefiltertes Spannungssignal (225) erzeugt wird, das zumindest die Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen (217, 218, 219; 314) aufweist.