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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung der Drehzahl von Wechselstrommotoren, bevorzugt von Motoren wie diese zum Antrieb im Modellbau und insbesondere im Flugmodellbau eingesetzt werden.
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Stand der Technik
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Im Modellbau und insbesondere im Flugmodellbau werden bevorzugt leistungsfähige Drehstrommotoren, auch als Brushless-Motoren bezeichnet, eingesetzt. Diese Motoren werden durch ein Steuergerät mit einer dreiphasigen Motorspannung variabler Frequenz versorgt. Üblicherweise ist diese Motorspannung zusätzlich pulsweitenmoduliert.
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Aus der
DE 100 54 176 A1 ist ein Verfahren zur Drehzahlmessung eines dreiphasigen Drehstrommotors offenbart. Hierzu werden die Phasenspannungen aller drei Phasen an den Zuleitungen des Motors abgegriffen und nach Frequenz und Amplitude ausgewertet.
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Nachteilig an diesem Verfahren ist der relativ große Aufwand, der auch eine entsprechende Masse der Auswerteelektronik zur Folge hat. Dies ist grundsätzlich im Modellbau und insbesondere bei Flugmodellen unerwünscht.
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Darstellung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung der Drehzahl eines dreiphasigen Wechselstrommotors für den Modellbau auszugestalten. Das Verfahren soll einfach ausführbar sein. Die Vorrichtung soll ein geringes Gewicht besitzen, so dass sie auch im Flugmodellbau einsetzbar ist, und sie soll auch durch den ungeübten Modellbauer einfach in ein Modell integrierbar sein.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Zur Ermittlung der Drehzahl eines mehrphasigen und insbesondere dreiphasigen Wechselstrommotors für Modelle und insbesondere für Flugmodelle, der durch ein Steuergerät über Phasenleiter mit einer mehrphasigen und insbesondere dreiphasigen Motorspannung versorgt wird, ist ein Messtransformator mit einer daran angeschlossenen Auswerteeinheit vorgesehen. Der Messtransformator ermöglicht den induktiven Abgriff eines Signals entsprechend dem Motorstrom durch einen Phasenleiter. Hierzu umfasst der Messtransformator vorzugsweise einen Kern aus ferromagnetischem Material, bevorzugt einen Ferritkern, besonders bevorzugt einen Ringkern. Die Ausführung mit einem Ringkern ist besonders vorteilhaft, da hier lediglich ein Phasenleiter durch den Kern geschoben werden muss, um die Primärseite des Transformators auszubilden. Zur sekundärseitigen Wicklung ist wenigstens eine, bevorzugt mehrere Windungen um den ringförmigen Ferritkern gewickelt. Die sekundärseitige Wicklung ist mit der Auswerteeinheit verbunden.
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Die Auswerteeinheit hat wenigstens einen Integrator und einen nachgeschalteten Komparator. Der Integrator hat die Aufgabe, das gemessene Signal zu integrieren und hochfrequente Störungen auszufiltern. Die üblicherweise eingesetzten Motorsteuerungen erzeugen ein pulsweitenmoduliertes Signal konstanter Amplitude, meist entsprechend der der Motorsteuerung zur Verfügung gestellten Batteriespannung. Das Tastverhältnis dieses Signals wird so gesteuert, dass sich im mittleren Zeitverlauf ein bestimmter, bevorzugt näherungsweise sinusförmiger oder rechteckförmiger Motorstrom ergibt. Da das Ausgangssignal der Motorsteuerung ein überlagertes Signal mit der Pulsweitenmodulationsfrequenz aufweist, kann aus der Frequenz dieses Signals nicht auf die Drehzahl des Motors geschlossen werden. Zur Frequenzauswertung muss hier eine Integration erfolgen, um den Verlauf des Motorstroms zu erkennen. Dies ist die Aufgabe des Integrators. So liegt am Ausgang des Integrator ein näherungsweise sinusförmiges Signal entsprechend dem Motorstrom an, bei dem nur noch ein geringer Oberwellenanteil durch das pulsweitenmodulierte Signal vorhanden ist. Die Integrationszeitkonstante des Integrators ist an die Frequenz des pulsweitenmodulierten Signals angepasst, und die somit deutlich größer als der Kehrwert der Frequenz des pulsweitenmodulierten Signals ist. Der nachfolgende Komparator kann nun aus diesem Signal die Nulldurchgänge ermitteln und somit die Frequenz einer Motorphase feststellen. Aus dieser Frequenz kann nun beispielsweise durch Division durch die Polpaarzahl oder andere Parameter auf die Motordrehzahl geschlossen werden. Somit stellt das Ausgangssignal des Komparators ein zur Motordrehzahl proportionales Signal dar.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren betrifft das transformatorisch entkoppelte Messen eines Phasenstroms eines dreiphasigen Wechselstrommotors, die Integration des Phasenstroms und anschließende Nulldurchgangserkennung.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben.
- 1 zeigt das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung.
- 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der elektrischen Signale.
- 3 zeigt eine typische Anordnung eines Anschlusses.
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In 1 ist das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt. Eine Energiequelle, bevorzugt eine Batterie 10, besonders bevorzugt ein im Modellbau üblicherweise eingesetzter Lithiumpolymerakkumulator, versorgt eine Motorsteuerung 20 mit Strom. Die Motorsteuerung hat mehrere Halbleiterschalter, bevorzugt sechs Halbleiterschalter, um aus der von der Batterie gelieferten Spannung eine pulsweitenmodulierte Spannung mit drei unterschiedlichen Phasen zur Speisung eines dreiphasigen Wechselstrommotors 30 zu erzeugen. Grundsätzlich kann der Wechselstrommotor eine beliebige Anzahl von Phasen haben. Der dreiphasige Wechselstrommotor 30 hat drei Wicklungsanschlüsse entsprechend den drei Phasen. Der Anschluss 31 ist der ersten Phase zugeordnet, der Anschluss 32 der zweiten Phase, und der Anschluss 33 der dritten Phase. Die erste Phase und die zweite Phase werden bevorzugt direkt mit der Motorsteuerung 20 verbunden. Die Leitung zur dritten Phase 33 wird über einen Messtransformator 40 mit der Motorsteuerung 20 verbunden. Der Messtransformator 40 ist bevorzugt ein einfacher Ringkern besonders bevorzugt aus Ferrit. Ein solcher Ringkern hat typischerweise die Form eines Toroids. Die Anschlussleitung 33 zur Phase 3 wird daher bevorzugt einfach durch das Innere des Kerns 43 gesteckt, bzw. durch diesen hindurch gefädelt, um die Primärwindung oder Primärwicklung 41 zu bilden. Dadurch ist keine wesentliche Modifikation der Leitung notwendig. Eine Montage des Ferritkerns kann also auch durch einen unerfahrenen Modellbauer auf einfache Art und Weise vorgenommen werden. Als Sekundärwicklung 42 hat der Transformator bevorzugt eine oder mehrere Windungen, welche bevorzugt um den Ferritkern herum gewickelt werden. Dies kann bereits herstellerseitig vorgenommen werden. Das Übersetzungsverhältnis zwischen der Anzahl der Windungen auf der Primärseite (welche bevorzugt eine ist) und der Anzahl der Windungen auf der Sekundärseite haben sich Werte zwischen 1:10 und 1:100 bewährt. Dadurch, dass an der Sekundärseite eine höhere Windungszahl als auf der Primärseite vorgesehen ist, reduziert sich der sekundärseitige Strom um das Übersetzungsverhältnis. Das bedeutet, dass beispielsweise bei einem Motorstrom von 50 A und einem Übersetzungsverhältnis von 1:100 ein sekundärer Strom von 0,5 A fließt. Es ist weiterhin bevorzugt, dass der Kern 43 ein Ferritmaterial umfasst, welches bei höheren Stromstärken in die Sättigung geht. Dadurch kann auch die maximale Stromstärke auf der Sekundärseite reduziert werden. Nachteilig daran ist, dass die Übertragung des Signals nicht mehr linear ist. Dies spielt allerdings für die Erkennung der Betriebsfrequenz keine Rolle. Zur weiteren Verarbeitung des Signals ist der Sekundärwicklung ein Bürdenwiderstand 44 parallelgeschaltet, so daß an diesem eine zum Sekundärstrom prportionale Spannung abfällt. Das Ausgangssignal der Sekundärwicklung wird einem Integrator 50 zugeführt. Dieser integriert nun über das pulsweitenmodulierte Signal, um die sinusförmige Grundwelle zu erhalten. Diese wird dann einem Komparator 60 zugeführt, der die Nulldurchgänge ermittelt und ein Drehzahlsignal 71 der Auswerteeinheit 70 aus Integrator 50 und Komparator 60 ausgibt.
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Die 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der elektrischen Signale. Diagramm 80 zeigt den Motorstromverlauf als Funktion der Zeit, wie er unmittelbar an der Leitung 33 zur Phase 3 gemessen werden kann. Nach rechts ist die Zeit aufgetragen. Nach oben ist der Strom linear skaliert dargestellt. Aus dem pulsweitenmodulierten Signal selbst kann auf einfache Weise noch keine Drehzahlinformation hergeleitet werden, da dieses aus zahlreichen Übergängen zwischen der Spannung Null und der positiven bzw. negativen maximalen Batteriespannung besteht. Würde bei diesem Signal eine Frequenzmessung vorgenommen werden, so würde lediglich die Modulationsfrequenz des Pulsweitenmodulators ermittelt werden. Es wird die an dem Bürdenwiderstand 44 abfallende Spannung weiter verarbeitet. Um nun ein für die Drehzahl relevantes Messsignal zu erhalten, folgt eine Integration der am Bürdenwiderstand 44 abfallenden Spannugn durch den Integrator 50. Das entsprechende Ergebnis zeigt das Diagramm 81. Hier ist eine schematisierte Darstellung gezeigt. Tatsächlich ist dies noch überlagert von geringen Störsignalen aus dem oben dargestellten pulsweitenmodulierten Signal. Dies hat jedoch keinen weiteren Einfluss, da der nachfolgende Komparator 60 lediglich die Nulldurchgänge detektiert. Er liefert, wie in Diagramm 83 dargestellt, ein positives Ausgangssignal bei einer positiven Halbwelle des Sinussignals aus der Kurve 81 und das Ausgangssignal 0 bei einer negativen Halbwelle. Anstelle des Signals 0 könnte er auch ein negatives Signal liefern. Das Diagramm 82 zeigt den Stromverlauf mit Sättigung des Messtransformators. Bei hohen Strömen kann der Kern des Messtransformators in die Sättigung gehen. Dadurch ergibt sich ein abgeflachter Kurvenverlauf. Dies schützt auch die nachfolgende Schaltung des Integrators vor zu hohen Eingangssignalen.
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3 zeigt eine typische Anordnung, bei der das Anschlusskabel 33 für die Phase 3 durch den Ring eines toroidförmigen Ferritkerns 43 gefädelt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Batterie
- 20
- Motorsteuerung
- 30
- Motor
- 31
- Phase 1
- 32
- Phase 2
- 33
- Phase 3
- 40
- Messtransformator
- 41
- Primärwicklung
- 42
- Sekundärwicklung
- 43
- Kern
- 44
- Bürdenwiderstand
- 50
- Integrator
- 60
- Komparator
- 70
- Auswerteeinheit
- 71
- Drehzahlsignal
- 80
- Motorstrom der Phase 1
- 81
- Ausgangssignal des Integrators 50
- 82
- Ausgangssignals des Komparators 60
- 83
- abgeflachter Kurvenverlauf der Spannung an der Sekundärwicklung 42
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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