DE102019211800B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln der Drehzahl und des Drehwinkels einer Motorwelle eines mechanisch kommutierten Gleichstrommotors - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln der Drehzahl und des Drehwinkels einer Motorwelle eines mechanisch kommutierten Gleichstrommotors Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Ermitteln der Drehzahl (n) und des Drehwinkels einer Motorwelle eines mechanisch kommutierten Gleichstrommotors (1) aus dem gemessenen Zeitverlauf der bei der Kommutierung auftretenden Welligkeit des Motorstroms (IM(t)) und der Motorklemmenspannung (UM(t)), bei dem- einem Kalman-Filter (20), das ein Motorzustandsmodell (21) des Gleichstrommotors (1) umfasst, die gemessene Motorklemmenspannung (UM,m) und der gemessene Motorstrom (IM,m), ein geschätztes Lastmoment (ML,c), eine geschätzte Drehzahl (nM,c) und ein geschätzter Drehwinkel (MPM,c) des Gleichstrommotors (1) als Eingangsgrößen zugeführt werden, wobei das Kalman-Filter (20) durch Ausführen des Motorzustandsmodells (21) einen geschätzten Strom (IM), eine korrigierte Drehzahl (nM) und einen korrigierten Drehwinkel (MPM) des Gleichstrommotors (1) als Ausgangsgrößen bereitstellt;- eine Ripple-Detektionseinheit (10) aus der Welligkeit des gemessenen Motorstroms (IM,m) und der von dem Kalman-Filter (20) korrigierten Drehzahl (nM,K) als Eingangsgrößen die Zeitpunkte der Kommutierung bestimmt und daraus eine geschätzte Drehzahl (nM,R) und einen geschätzten Drehwinkel (MPM,R) des Gleichstrommotors (1) ableitet und dem Kalman-Filter (20) als die Eingangsgrößen bereitstellt, und eine Lastschätzeinheit (30) das geschätzte Lastmoment (ML,c) aus der gemessenen Motorklemmenspannung (UM,m), dem gemessenen Motorstrom (IM,m) und in der Lastschätzeinheit (30) hinterlegten Motorparametern des Gleichstrommotors (1) ermittelt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln der Drehzahl und des Drehwinkels einer Motorwelle eines mechanisch kommutierten Gleichstrommotors aus dem gemessenen Zeitverlauf der bei der Kommutierung auftretenden Welligkeit des Motorstroms und der Motorklemmenspannung.
  • Viele Anwendungen zum Verstellen oder Positionieren eines Aktors, wie z.B. einem Fensterheber oder einem Sitz in einem Kraftfahrzeug, basieren auf mechanisch kommutierten Gleichstrommotoren. Für diese Anwendungen ist eine genaue Schätzung der Motordrehzahl und -position, die sich aus dem Drehwinkel ermitteln lässt, erforderlich. Motordrehzahl und -position können beispielsweise unter Verwendung von Positionssensoren, wie z.B. Hall-Sensoren, ermittelt werden. Die Nutzung von Sensoren verursacht jedoch unerwünschte Kosten, welche insbesondere bei Massenanwendungen nach Möglichkeit zu vermeiden sind.
  • In der DE 197 29 238 C1 ist ein sensorloses Positionserkennungsverfahren beschrieben, welches auf der Auswertung des gemessenen Zeitverlaufs der bei der Kommutierung auftretenden Welligkeit des Motorstroms basiert. Die Welligkeit (englisch: ripple) kann als Maß für die Drehzahl des mechanisch kommutierten Gleichstrommotors erfasst und ausgewertet werden. Solche Ripple-Zähler berechnen den Drehwinkel (und damit die Position) durch Erfassen und Zählen von Stromwelligkeiten, die durch die Kommutierung des Gleichstrommotors verursacht werden. Die Kommutierung und die anschließende Ripple-Erzeugung hängen von verschiedenen internen und externen Faktoren, wie z.B. Bürsten- und Kommutatorgeometrie, Bürsten- und Kommutatorwiderstände, Umgebungstemperatur und dergleichen ab. Das bloße Zählen von Rippeln zur Positionsschätzung kann daher unter ungünstigen Umständen zu fehlerhaften Ergebnissen führen, insbesondere wenn der Gleichstrommotor häufigen Lastwechseln ausgesetzt ist oder die Motorwelle des Gleichstrommotors blockiert ist, was sich in einer plötzlichen Verringerung der Motordrehzahl bemerkbar macht.
  • Die US 9,046,543 B2 offenbart ein Verfahren zum Bestimmen der Drehzahl eines mechanisch kommutierten Gleichstrommotors mit Hilfe einer Fast Fourier Transformation (FFT), wobei die Drehzahl als Ergebnis der FFT einem Kalman-Filter zugeführt wird, das diese in einem Motorzustandsmodell verarbeitet. Ein Nachteil des beschriebenen Vorgehens besteht darin, dass die FFT sehr hohe Rechenleistung erfordert.
  • Die EP 2 109 211 A1 offenbart ein Verfahren zum Bestimmen der Position und Drehzahl eines kommutierten Gleichstrom(DC)-Motors, basierend auf einer erfassten Welligkeit des Motorstroms. Dabei werden Welligkeiten im Motorstrom erfasst und eine Frequenz der Welligkeit auf Grundlage der Zeit zwischen zwei aufeinander folgenden Welligkeiten berechnet. Mit Hilfe eines Motormodells wird eine geschätzte Welligkeitsfrequenz bestimmt, wenn eine Welligkeitszahl (Ripple-Zahl) zwischen aufeinander folgenden Frequenzen einen Schwellenwert überschreitet. Anschließend wird eine korrigierte Welligkeitszahl aus einem Verhältnis der berechneten Welligkeitsfrequenz und der geschätzten Welligkeitsfrequenz berechnet, so dass schlussendlich die Position und Drehzahl des Motors aufgrund der korrigierten Welligkeitszahl bestimmt werden können.
  • Die DE 10 2004 056 410 A1 offenbart zur Ermittlung einer Winkelposition von mechanisch kommutierten Gleichstrommotoren die Bestimmung und Auswertung der Anzahl von Kommutierungsrippeln oder alternativ die Verwendung von Filtereinrichtungen, wie z.B. einem Kalman-Filter. Zum Ermitteln eines durch eine mechanische Kommutierung des Gleichstrommotors entstehenden Wechselanteils eines Stroms wird alternativ vorgeschlagen, ein Schätzen eines Gleichstromanteils des Stroms mit Hilfe einer Beobachtereinrichtung, die ein mathematisches Modell des Gleichstrommotors umfasst, vorzunehmen.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, welche eine funktionell verbesserte Ermittlung der Drehzahl und des Drehwinkels der Motorwelle eines mechanisch kommutierten Gleichstrommotors ermöglichen.
  • Diese Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 7. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zum Ermitteln der Drehzahl und des Drehwinkels einer Motorwelle eines mechanisch kommutierten Gleichstrommotors aus dem (in Echtzeit) gemessenen Zeitverlauf der bei der Kommutierung auftretenden Welligkeit des Motorstroms und der Motorklemmenspannung vorgeschlagen. Bei diesem Verfahren werden einem Kalman-Filter, das ein Motorzustandsmodell des Gleichstrommotors umfasst, die gemessene Motorklemmenspannung und der gemessene Motorstrom, ein geschätztes Lastmoment, eine geschätzte Drehzahl und ein geschätzter Drehwinkel des Gleichstrommotors als Eingangsgrößen zugeführt. Das Kalman-Filter stellt durch Ausführen des Motorzustandsmodells einen geschätzten Strom, eine korrigierte Drehzahl und ein korrigierter Drehwinkel des Gleichstrommotors als Ausgangsgrößen bereit. Ferner bestimmt eine Ripple-Detektionseinheit aus der Welligkeit des gemessenen Motorstroms und der von dem Kalman-Filter korrigierten Drehzahl als Eingangsgrößen die Zeitpunkte der Kommutierung und leitet daraus eine geschätzte Drehzahl und einen geschätzten Drehwinkel des Gleichstrommotors ab und stellt dem Kalman-Filter diese als Eingangsgrößen bereit. Außerdem ermittelt eine Lastschätzeinheit das geschätzte Lastmoment aus der gemessenen Motorklemmenspannung, dem gemessenen Motorstrom und in der Lastschätzeinheit hinterlegten Motorparametern des Gleichstrommotors.
  • Erfindungsgemäß ist zur Bereitstellung einer präziseren Drehzahl und/oder eines Drehwinkels der Motorwelle vorgesehen, dass sich der Ausgang des Kalman-Filters und die Ripple-Detektionseinheit bei jedem Berechnungsschritt gegenseitig korrigieren. Dies führt zu einer verbesserten Abschätzung der Motorposition und Drehzahl.
  • Die Ursachen für das Lastmoment in der realen Anwendung ergeben sich aus Reibung, Steifigkeit und/oder Verlusten des Systems und können in der Praxis ohne zusätzliche Sensoren nicht gemessen werden. Da das Kalman-Filter zur Nachbildung des Motorzustandsmodells das Lastmoment benötigt, wird durch die Lastschätzeinheit ein Drehmomentberechnungsmodell bereitgestellt, welches das Lastmoment aus dem gemessenen Strom und der gemessenen Motorklemmenspannung mit Hilfe der hinterlegten Motorparameter abschätzen kann. Derartige Lastschätzeinheiten sind aus dem Stand der Technik in verschiedenen Ausführungen bekannt.
  • Zweckmäßigerweise werden die von dem Kalman-Filter korrigierte Drehzahl und der korrigierte Drehwinkel des Gleichstrommotors als Ausgangsgrößen einer Auswerteeinheit zur Weiterverarbeitung zugeführt. Der Auswerteeinheit kann die korrigierte Drehzahl und den korrigierten Drehwinkel beispielsweise zur Ansteuerung des Gleichstrommotors nutzen. Der Gleichstrommotor kann beispielsweise für einen Fensterheber oder den Sitz eines Kraftfahrzeugs genutzt werden. Auch andere Anwendungen, bei denen eine hochpräzise Ansteuerung des Gleichstrommotors erforderlich ist, sind natürlich möglich.
  • Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung sieht vor, dass das Kalman-Filter einen oder mehrere der durch das Motorzustandsmodell geschätzten Zustände Strom und/oder korrigierte Drehzahl und/oder den korrigierten Drehwinkel des Gleichstrommotors mit den durch Messung und Schätzung der Ripple-Detektionseinheit ermittelten Werten vergleicht und, beim Feststellen von Fehlern, durch Bildung eines gewichteten Mittelwerts von Schätz- und Beobachtungswerten filtert. Mit anderen Worten werden Strom und/oder die korrigierte Drehzahl und/oder der Motordrehwinkel gefiltert. Die Ausgangsgrößen des Kalman-Filters sind damit so präzise wie möglich und stellen die größtmögliche Annäherung an den Ist-Zustand des überwachten mechanisch kommutierten Gleichstrommotors und der damit verbundenen Anwendung dar.
  • Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung sieht vor, dass die Ripple-Detektionseinheit aus der von dem Kalman-Filter bereitgestellten korrigierten Drehzahl Zeitpunkte der Kommutierung ermittelt und als Referenz verarbeitet, wenn die in der Wellenform des gemessenen Motorstroms beobachteten Ripple eine dominante Frequenz aufweisen oder wenn die in der Wellenform des gemessenen Motorstroms beobachteten Ripple zwei oder mehr Ripple-Frequenzen aufweisen. In der Wellenform des gemessenen Motorstroms beobachtete Ripple können eine dominante Frequenz aufweisen, wenn sich bei dem mechanisch kommutierten Gleichstrommotor um einen zweipoligen Motor handelt. In der Wellenform des gemessenen Motorstroms können zwei oder mehr Ripple-Frequenzen vorhanden sein, wenn der mechanisch kommutierte Gleichstrommotor ein vierpoliger Motor ist oder wenn der mechanisch kommutierte Gleichstrommotor ein Vierpol mit asymmetrischen Magnetfeld ist, welcher zwei Magneten gleicher Polarität aufweist, wobei sich zwischen den beiden Magneten virtuelle Pole der anderen Polarität ausbilden. Derartige Motoren weisen den Vorteil geringerer Kosten auf, da durch die Nutzung lediglich zweier physikalischer Magneten ein vierpoliger Motor „simuliert“ werden kann.
  • Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung sieht vor, dass das Kalman-Filter, die Ripple-Detektionseinheit und die Lastschätzeinheit als Programm implementiert sind und von einer Recheneinheit ausgeführt werden. Dies ermöglicht eine einfache Implementierung des vorgeschlagenen Verfahrens auf einem handelsüblichen Mikrocontroller.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Computerprogrammprodukt vorgeschlagen, das direkt in den internen Speicher einer digitalen Recheneinheit geladen werden kann und Softwarecodeabschnitte umfasst, mit denen die Schritte des hierin beschriebenen Verfahrens ausgeführt werden, wenn das Produkt auf der Recheneinheit läuft. Das Computerprogrammprodukt kann in der Gestalt eines Datenträgers, wie z.B. einer CD-ROM, einer DVD, eines USB-Speichersticks oder einer Speicherkarte verkörpert sein. Das Computerprogrammprodukt kommt auch in der Form eines über ein drahtloses oder drahtgebundenes Netzwerk ladbares Signal vorliegen.
  • Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Ermitteln der Drehzahl und/oder des Drehwinkels einer Motorwelle eines mechanisch kommutierten Gleichstrommotors aus dem gemessenen Zeitverlauf der bei der Kommutierung auftretenden Welligkeit des Motorstroms und der Motorklemmenspannung vorgeschlagen. Die Vorrichtung ist dazu ausgebildet, einem Kalman-Filter, das ein Motorzustandsmodell des Gleichstrommotors umfasst, die gemessene Motorklemmenspannung und den gemessenen Motorstrom, ein geschätztes Lastmoment, eine geschätzte Drehzahl und einen geschätzten Drehwinkel des Gleichstrommotors als Eingangsgrößen zuzuführen. Das Kalman-Filter stellt durch Ausführen des Motorzustandsmodells dann einen geschätzten Strom, eine korrigierte Drehzahl und einen korrigierten Drehwinkel des Gleichstrommotors als Ausgangsgrößen bereit. Die Vorrichtung ist weiter dazu ausgebildet, mit einer Ripple-Detektionseinheit aus der Welligkeit des Motorstroms und der von dem Kalman-Filter korrigierten Drehzahl als Eingangsgrößen die Zeitpunkte der Kommutierung zu bestimmen und daraus eine geschätzte Drehzahl und einen geschätzten Drehwinkel des Gleichstrommotors abzuleiten und dem Kalman-Filter als Eingangsgrößen bereitzustellen. Eine Lastschätzeinheit ermittelt das geschätzte Lastmoment aus der gemessenen Motorklemmenspannung, dem gemessenen Motorstrom und in der Lastschätzeinheit hinterlegten Motorparametern des Gleichstrommotors.
  • Die verbesserte Abschätzung von Motordrehwinkel bzw. -position und/oder Drehzahl ergibt sich bei der genannten Vorrichtung dadurch, dass sich die Ausgänge des Kalman-Filters und der Ripple-Erkennungsfunktion bei jedem Berechnungsschritt der Steuerung gegenseitig korrigieren. Die Vorrichtung weist darüber hinaus weitere Vorteile des oben beschriebenen Verfahrens auf.
  • Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung beschrieben.
  • Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung der zur Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderlichen Komponenten.
  • Die Figur zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens. Eine Serienschaltung aus einem mechanisch kommutierten Gleichstrommotor 1 (DC-Motor) und einem Messwiderstand 2 ist zwischen einem Versorgungspotential und einem Bezugspotential verschaltet. Über nicht näher dargestellte Sensoren werden der zeitliche Verlauf einer Motorklemmenspannung UM(t) und ein Motorstrom IM(t) erfasst. Der gemessene Motorstrom wird einer Ripple-Detektionseinheit 10, einem Kalman-Filter 20 sowie einer Lastschätzeinheit 30 zugeführt und ist mit IM,m bezeichnet. Die gemessene Motorklemmenspannung UM wird dem Kalman-Filter 20 und der Lastschätzeinheit 30 zugeführt und ist mit UM,m bezeichnet. Da die genannten Größen jeweils gemessene Größen darstellen, sind diese an jeweiligen Eingängen der genannten Einheiten Ripple-Detektionseinheit 10, Kalman-Filter 20 und Lastschätzeinheit 30 mit dem zusätzlichen Index „m“ versehen.
  • Die Ripple-Detektionseinheit 10, das Kalman-Filter 20 und die Lastschätzeinheit 30 können als Programme auf einer Recheneinheit, z.B. einem Mikrocontroller, implementiert sein.
  • Das Kalman-Filter 20 umfasst ein Motorzustandsmodell 21 des Gleichstrommotors 1. Das Motorzustandsmodell 21, das beispielsweise wie in der eingangs genannten DE 197 29 238 C1 implementiert sein kann, benötigt zu dessen Ausführung neben der gemessenen Motorklemmenspannung UM,m und dem gemessenen Motorstrom IM,m ein geschätztes Lastmoment ML,c, eine geschätzte Drehzahl nM,c des Gleichstrommotors 1 und einen geschätzten Drehwinkel MPM,C des Gleichstrommotors 1 als Eingangsgrößen, wobei aus dem Drehwinkel aufgrund einer direkten Proportionalität eine Position (Motorposition) des Gleichstrommotors 1 bestimmt werden kann. Geschätzte Größen sind an jeweiligen Eingängen mit dem zusätzlichen Index „c“ versehen. Das Kalman-Filter schätzt die Zustände Motorstrom IM, Drehzahl nM und Motordrehwinkel MPM des Gleichstrommotors 1 durch das Ausführen eines Beobachters, der das Motorzustandsmodell 21 implementiert, und vergleicht die Ausgangszustände mit den durch Messung und Schätzung ermittelten Werten. Dabei werden die Drehzahl nM und die Motordrehwinkel MPM des Kalman-Filters durch den Beobachter korrigiert und daher auch als korrigierte Größen bezeichnet. Der von dem Kalman-Filter 20 geschätzte Motorstrom IM,K wird für die weitere Funktion nicht benötigt und braucht daher auch nicht zwingend ausgegeben zu werden.
  • Die von dem Kalman-Filter 20 korrigierte Drehzahl nM, die als Ausgangsgröße bereitgestellt wird, wird der Ripple-Detektionseinheit 10 neben dem gemessenen Motorstrom IM,m als geschätzte Eingangsgröße nM,K zugeführt. Dies bedeutet, nM,K = nM. Die Ripple-Detektionseinheit 10 bestimmt aus der Welligkeit des gemessenen Motorstroms IM,m und der von der Kalman-Filter 20 korrigierten (geschätzten) Drehzahl nM,K als Eingangsgrößen die Zeitpunkte der Kommutierung. Dies kann beispielsweise entsprechend der bereits erwähnten DE 197 29 238 C1 erfolgen. Ferner leitet die Ripple-Detektionseinheit 10 aus den Eingangsgrößen eine geschätzte Drehzahl nM,R und eine geschätzte Motordrehwinkel MPM,R des Gleichstrommotors ab und stellt diese beiden Ausgangsgrößen dem Kalman-Filter 20 als Eingangsgrößen zur Verfügung, d.h. nM,R = nM,c und MPM,R = MPM,c.
  • Mit anderen Worten korrigieren sich der Ausgang des Kalman-Filters 20 und die Ripple-Detektionseinheit 10 bei jedem Berechnungsschritt durch die Recheneinheit gegenseitig. Dies führt zu einer optimierten Abschätzung von Motordrehwinkel MPM und Drehzahl nM des Gleichstrommotors 1. Die von dem Kalman-Filter bereitgestellten Ausgangsgrößen der Drehzahl nM und der Motordrehwinkel MPM können dann einer in 1 nicht dargestellten Auswerteeinheit zur Weiterverarbeitung zugeführt werden.
  • Fehler in der Ausgabe aufgrund von Ausgangsstörungen oder verrauschten Beobachtungen werden anhand eines gewichteten Mittelwertes aus Schätz- und Beobachtungswerten der Eingangsgrößen des Kalman-Filters 20 herausgefiltert. Die Ausgangsgrößen des Kalman-Filters sind somit optimal und stellen die größtmögliche Annäherung an den Ist-Zustand des beobachteten Gleichstrommotors 1 dar.
  • Die in dem Kalman-Filter 20 vorgesehe Abbildung des Motorzustandsmodells 21 erfordert das im Betrieb des Gleichstrommotors 1 existierende Lastmoment ML,c. Die Ursachen für das Lastmoment im realen System ergeben sich aus Reibung, Steifigkeit, Verlusten des Systems usw. und können typischerweise ohne Sensor nicht gemessen werden. Daher wird das Lastmoment ML,c von der Lastschätzeinheit 30 aus dem gemessenen Motorstrom IM,m und der gemessenen Motorklemmenspannung UM,m sowie den Motorparametern geschätzt. Derartige Lastschätzeinheiten sind aus dem Stand der Technik dem Fachmann bekannt und werden daher nicht im einzelnen weiter erläutert.
  • Die Ripple-Detektionseinheit 10 ermöglicht eine indirekte Beobachtung oder Messung der Motordrehzahl nM,c und der Motordrehwinkel MPM,c. Als Eingangsgrößen benötigt die Ripple-Detektionseinheit 10 dazu den gemessenen Motorstrom IM,m und die vom Kalman-Filter 20 korrigierte Drehzahl nM,K = nM. Die Ausgangsgrößen sind dann die Winkelgeschwindigkeit (Drehzahl) und die Motordrehwinkel, die von der Motorwelle entsprechend der Ripple-Anzahl der im Gleichstrommotor vorhandenen Kommutatorsegmente durchlaufen werden. Das diesbezügliche Vorgehen ist in der DE 197 29 238 C1 beschrieben.
  • Um die Positions- oder Drehwinkelerfassung des Gleichstrommotors 1 basierend auf der Ripple-Anzahl zu optimieren, ist in der Ripple-Detektionseinheit 10 zweckmäßigerweise ein Vorgehen implementiert, dass die Motordrehzahl nM,K des Kalman-Filters 20 als Referenz verwendet. Diese Funktion ist in der Lage, Kommutierungsripple genau zu erkennen, wenn die in der Motorstromwellenform beobachteten Ripple mit einer dominanten Frequenz (wie bei zweipoligen Gleichstrommotoren) sowie für zwei oder mehrere Frequenzen (wie bei einem vierpoligen Motor oder einem Motor, der ein Vierpol mit asymmetrischen Magnetfeld ist) erzeugt werden.
  • Der Vorteil des auf dem Kalman-Filter basierenden Verfahrens besteht darin, dass die Ungenauigkeiten in der Drehzahl- und Drehwinkelschätzung durch ein Motormodell durch Beobachtung von Motordrehzahl und -drehwinkel mit der Ripple-Detektionseinheit korrigiert werden, und umgekehrt. Ein derartiges Vorgehen ist robuster gegenüber Änderungen der Motorparameter im Vergleich zu dem aus dem Stand der Technik bekannten Standard-Motormodell. Weiter ist die Notwendigkeit häufigerer Aktualisierungen der Motorparameter, um eine genaue Schätzung zu erreichen, stark reduziert. Darüber hinaus führt eine bessere Schätzung der Drehzahl zu einer genaueren Berechnung der Motorparameter, die wiederum zur Verbesserung anderer Algorithmen, wie Drehzahlregelung oder Gegenmomenten, verwendet werden können.

Claims (7)

  1. Verfahren zum Ermitteln der Drehzahl (n) und des Drehwinkels einer Motorwelle eines mechanisch kommutierten Gleichstrommotors (1) aus dem gemessenen Zeitverlauf der bei der Kommutierung auftretenden Welligkeit des Motorstroms (IM(t)) und der Motorklemmenspannung (UM(t)), bei dem - einem Kalman-Filter (20), das ein Motorzustandsmodell (21) des Gleichstrommotors (1) umfasst, die gemessene Motorklemmenspannung (UM,m) und der gemessene Motorstrom (IM,m), ein geschätztes Lastmoment (ML,c), eine geschätzte Drehzahl (nM,c) und ein geschätzter Drehwinkel (MPM,c) des Gleichstrommotors (1) als Eingangsgrößen zugeführt werden, wobei das Kalman-Filter (20) durch Ausführen des Motorzustandsmodells (21) einen geschätzten Strom (IM), eine korrigierte Drehzahl (nM) und einen korrigierten Drehwinkel (MPM) des Gleichstrommotors (1) als Ausgangsgrößen bereitstellt; - eine Ripple-Detektionseinheit (10) aus der Welligkeit des gemessenen Motorstroms (IM,m) und der von dem Kalman-Filter (20) korrigierten Drehzahl (nM,K) als Eingangsgrößen die Zeitpunkte der Kommutierung bestimmt und daraus eine geschätzte Drehzahl (nM,R) und einen geschätzten Drehwinkel (MPM,R) des Gleichstrommotors (1) ableitet und dem Kalman-Filter (20) als die Eingangsgrößen bereitstellt, und eine Lastschätzeinheit (30) das geschätzte Lastmoment (ML,c) aus der gemessenen Motorklemmenspannung (UM,m), dem gemessenen Motorstrom (IM,m) und in der Lastschätzeinheit (30) hinterlegten Motorparametern des Gleichstrommotors (1) ermittelt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die von dem Kalman-Filter (20) korrigierte Drehzahl (nM) und der korrigierte Drehwinkel (MPM) des Gleichstrommotors (1) als Ausgangsgrößen einer Auswerteeinheit zur Weiterverarbeitung zugeführt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Kalman-Filter (20) einen oder mehrere der durch das Motorzustandsmodell (21) geschätzten Zustände Strom (IM) und/oder korrigierte Drehzahl (nM) und/oder korrigierten Drehwinkel (MPM) des Gleichstrommotors (1) mit den durch Messung und Schätzung der Ripple-Detektionseinheit (10) ermittelten Werten vergleicht und, beim Feststellen von Fehlern, durch Bildung eines gewichteten Mittelwerts von Schätz- und Beobachtungswerten filtert.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Ripple-Detektionseinheit (10) aus der von dem Kalman-Filter (20) bereitgestellten korrigierten Drehzahl (nM,K) Zeitpunkte der Kommutierung ermittelt und als Referenz verarbeitet, wenn die in der Wellenform des gemessenen Motorstroms (IM,m) beobachteten Ripple eine dominante Frequenz aufweisen oder wenn die in der Wellenform des gemessenen Motorstroms (IM,m) beobachteten Ripple zwei oder mehr Ripple-Frequenzen aufweisen.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Kalman-Filter (20), die Ripple-Detektionseinheit (10) und die Lastschätzeinheit (30) als Programme implementiert sind und von einer Recheneinheit ausgeführt werden.
  6. Computerprogrammprodukt, das direkt in den internen Speicher einer digitalen Recheneinheit geladen werden kann und Softwarecodeabschnitte umfasst, mit denen die Schritte gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgeführt werden, wenn das Produkt auf der Recheneinheit läuft.
  7. Vorrichtung zum Ermitteln der Drehzahl (n) und des Drehwinkels einer Motorwelle eines mechanisch kommutierten Gleichstrommotors (1) aus dem gemessenen Zeitverlauf der bei der Kommutierung auftretenden Welligkeit des Motorstroms (IM(t)) und der Motorklemmenspannung (UM(t)), die dazu ausgebildet ist, - einem Kalman-Filter (20), das ein Motorzustandsmodell (21) des Gleichstrommotors (1) umfasst, die gemessene Motorklemmenspannung (UM,m) und den gemessenen Motorstrom (IM,m), ein geschätztes Lastmoment (ML,c), eine geschätzte Drehzahl (nM,c) und einen geschätzten Drehwinkel (MPM,c) des Gleichstrommotors (1) als Eingangsgrößen zuzuführen, wobei das Kalman-Filter (20) durch Ausführen des Motorzustandsmodells (21) einen geschätzten Strom (IM), eine korrigierte Drehzahl (nM) und einen korrigierten Drehwinkel (MPM) des Gleichstrommotors (1) als Ausgangsgrößen bereitstellt; und - mit einer Ripple-Detektionseinheit (10) aus der Welligkeit des Motorstroms (IM,m) und der von dem Kalman-Filter (20) korrigierten Drehzahl (nM,K) als Eingangsgrößen die Zeitpunkte der Kommutierung zu bestimmen und daraus eine geschätzte Drehzahl (nM,R) und einen geschätzte Drehwinkel (MPM,R) des Gleichstrommotors (1) abzuleiten und dem Kalman-Filter (20) als die Eingangsgrößen bereitzustellen, und mit einer Lastschätzeinheit (30) das geschätzte Lastmoment (ML,c) aus der gemessenen Motorklemmenspannung (UM,m), dem gemessenen Motorstrom (IM,m) und in der Lastschätzeinheit (30) hinterlegten Motorparametern des Gleichstrommotors (1) zu ermitteln.
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