DE10242406A1

DE10242406A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung der Drehzahl eines Gleichstrommotors

Info

Publication number: DE10242406A1
Application number: DE2002142406
Authority: DE
Inventors: Thomas Schneider
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-09-12
Filing date: 2002-09-12
Publication date: 2004-03-25

Abstract

Verfahren zur Erfassung der Drehzahl eines Gleichstrommotors, welcher über einen Feldeffekt-Transistor mit Spannung versorgt wird, wobei der am Transistor beim Motorbetrieb auftretende Spannungsabfall zum Erhalt eines Spannungssignals gemessen und mit einem Referenzpegel verglichen wird, und auf der Grundlage dieses Vergleiches ein der Motordrehzahl proportionales Frequenzsignal generiert wird.

Description

Gegenstand der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung der Drehzahl eines Gleichstrommotors nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine entsprechende Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4.

Für verschiedene Anwendungen ist es erforderlich, die Drehzahl von Gleichstrommotoren zu erfassen. Hierzu ist es beispielsweise bekannt, auf einem rotierenden Teil (bei einem Gleichstrommotor also dem Anker) Markierungen, die am rotierenden Teil angebracht sind, mit Hilfe eines Induktivgebers oder optischen Sensors abzutasten. Das Vorbeilaufen einer solchen Marke an einem feststehenden Geber erzeugt Spannungsimpulse, aus deren Wiederholfrequenz die zu ermittelnde Drehzahl ableitbar ist.

Bei zahlreichen Anwendungen ist die Drehzahl eines Motors relativ leicht erfassbar, wenn alle anderen Motorparameter bekannt sind. Es ist auch bekannt, die Drehzahl auf der Grundlage einer Messung der generatorischen Spannung des Motors zu bestimmen, wobei derartige Verfahren beispielsweise in ABS/ESP-Systemen Einsatz gefunden haben. Bei derartigen Verfahren sind jedoch stets Annahmen für die durchzuführende Berechnung zu treffen, welche jeweils mehr oder weniger fehlerbehaftet sind. Durch derartige Fehler wird die berechnete Drehzahl ungenau bzw. muss mit einem großen Toleranzfenster versehen werden. Ist die erforderliche Genauigkeit durch die unbekannten Toleranzen zu groß, sind derartige Verfahren unbrauchbar, so daß beispielsweise auf die erwähnte optische Drehzahlerfassung unter Verwendung beispielsweise einer Lichtschranke zurückgegriffen werden muß.

Bei rotierenden Teilen, die von einem Gehäuse umgeben sind, ist eine derartige Drehzahlerfassung nicht, oder nur mit großen Schwierigkeiten möglich. Bei Elektrokraftstoffpumpen beispielsweise, die komplett gekapselt sind, sind keine drehbaren Teile nach außen geführt, die eine einfache Drehzahlbestimmung möglich machen würden.

Aus der DE 41 33 269 A1 ist ein Verfahren zur Messung der Drehzahl eines rotierenden Teiles, daß von einem Gehäuse umgeben ist, bekannt, bei welchem ein von der Drehzahl abhängiges weiteres Signal erfasst wird, dieses weitere Signal gefiltert und digitalisiert sowie zweifach fouriertransformiert und die Drehzahl aus dem so erhaltenen Spektrum durch Auswertung des absoluten Maximums ermittelt wird. Zur Realisierung einer derartigen Drehzahlerfassung ist aufgrund der eingesetzten Fourieranalyse ein relativ großer Rechenaufwand erforderlich.

Mit der vorliegenden Erfindung wird eine möglichst einfache und rechnerisch unaufwendige Erfassung der Drehzahl von Gleichstrommotoren angestrebt.

Dieses Ziel wird erreicht mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4.

Erfindungsgemäß wird ausgenutzt, daß ein Gleichstrommotor über eine Umdrehung in seiner Stromaufnahme ein nicht konstantes Verhalten aufweist. Immer dann, wenn nämlich die Bürsten des Motors über die Kollektorgrenzen wandern, kommt es zu einer Änderung der Stromstärke. Erfindungsgemäß werden diese Stromänderungen erfasst, um auf der Grundlage dieser Stromänderungen ein drehzahlproportionales Frequenzsignal zu erzeugen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das an einem Feldeffekttransistor (über den der Motor mit Spannung versorgt wird) erfasste Spannungssignal mittels eines Verstärkers, insbesondere eines Differenzverstärkers, erfasst und verstärkt, und das so erhaltene verstärkte Spannungssignal wird mittels eines Hysteresekomparators mit einem Referenzsignal verglichen. Ein derart beaufschlagter Hysteresekomparator kann in Zusammenarbeit mit entsprechenden RC-Filtern in zuverlässiger Weise auftretende Spannungsänderungen erkennen und diese als High-Low-Signal bzw. der ein der Motordrehzahl proportionales Frequenzsignal ausgeben.

Mit einer derartigen, einen Differenzverstärker und einen Hysteresekomparator verwendenden Schaltung ist es möglich, kleine Spannungs- bzw. Stromänderungen zu erfassen. Dadurch, daß nur schnelle bzw. relativ hochfrequente Stromänderungen erfasst werden müssen, ist es hierbei nicht erforderlich, Parameter mit großen Streuungen zu berücksichtigen. Beispielsweise kann der Motorstrom je nach Last oder Versorgungsspannung unterschiedlich groß sein. Entsprechendes gilt für den Einschaltwiderstand des dem Motor vorgeschalteten Feldeffekttransistors. Insgesamt ist festzustellen, dass die erfindungsgemäße Erfassung einer kleinen Stromänderung wesentlich leichter durchzuführen ist als eine genaue Absolutmessung eines Stroms oder einer Spannung.

Bei Erfassung der Stromänderungen steht ein sehr genaues Signal für die Motordrehzahlberechnung zur Verfügung. Dadurch, daß das ausgegebene Frequenzsignal auf der Grundlage von tatsächlich durchgeführten Messungen hergeleitet wurde, entfallen alle für eine Rechnung benötigten toleranzenbehafteten Größen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Gleichstrommotor um einen Pumpenmotor, insbesondere einen im Rahmen eines ABS/ESP-Systems eingesetzten Pumpenmotor.

Der oben erwähnte Referenzpegel bzw. eine entsprechende Referenzspannung wird zweckmäßigerweise durch einen Tiefpass mit an das Gesamtsystem angepasster Zeitkonstante gebildet und stellt so eine Spannung dar, die sich aus den gegebenen Bedingungen zum aktuellen Zeitpunkt bildet. Dadurch können umgebungsbedingte Schwankungen und Bauteiltoleranzen weitestgehend kompensiert werden.

Insbesondere erweist es sich als zweckmäßig, als Referenzspannung einen Mittelwert des am Eingang des Hysteresekomparators anliegenden Spannungssignals zu verwenden. Mit einem derart gebildeten Referenzsignal ist eine Anpassung des Referenzsignals an Veränderungen des am ersten Eingang des Hysteresekomparators bzw. dem Ausgang des Differenzverstärkers vorliegenden Signals möglich.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung im einzelnen dargestellt. Hierbei zeigt
1 ein Schaltungsdiagramm zur Erläuterung einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 ein Schaubild zur Erläuterung des nicht konstanten Stromaufnahmeverhaltens eines Gleichstrommotors, und
3 ein Schaubild zur Darstellung im Rahmen der Vorrichtung gemäß 1 auftretender Spannungssignale.
In 1 ist ein Gleichstrommotor, insbesondere ein Pumpenmotor, dessen Drehzahl erfasst werden soll, mit 10 bezeichnet. Der Gleichstrommotor sei hierbei in an sich bekannter Weise aufgebaut, so daß auf eine detaillierte Beschreibung seiner Komponenten verzichtet werden kann.
Der Gleichstrommotor 10 zeigt über eine Umdrehung eines (nicht dargestellten) Feldmagneten in seiner Stromaufnahme ein nicht konstantes Verhalten. Immer dann, wenn die Bürsten über die Kollektorgrenzen wandern, ändert sich die Stromstärke. Diese Stromstärkenänderungen sind in der 2, in der der Motorstrom gegen die Zeit aufgetragen ist, als Maxima erkennbar.
Der Gleichstrommotor 10 wird über einen Feldeffekt-Transistor 12 mit Spannung versorgt. Eine entsprechende Spannungsquelle ist mit 14 bezeichnet. Der Transistor 12 stellt für den Motorstrom einen (sehr kleinen) ohmschen Widerstand dar. Mittels eines dem Transistor 12 nachgeschalteten Differenzverstärkers 16 ist es möglich, den Spannungsabfall über den Transistor zu messen, wodurch man ein dem Motorstrom proportionales Spannungssignal erhält.
Dem Differenzverstärker ist ein Hysteresekomparator (Schmitt-Trigger) 18 nachgeschaltet. Zwischen dem Differenzverstärker 16 und dem Hysteresekomparator 18 ist ein insgesamt mit 20 bezeichneter RC-Filter vorgesehen.
Ruf einen ersten Eingang E des Hysteresekomparators 18 wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 16, das heißt das verstärkte Spannungssignal des Feldeffekttransistors 12, gegeben. Der zweite Eingang des Hysteresekomparators 18, welcher mit Ref bezeichnet ist, wird mit einem Referenzpegelsignal beaufschlagt.
Insgesamt wird also der Spannungsabfall am Transistor 12 durch den Differenzverstärker 16 erfasst, verstärkt und in dem Hysteresekomparator 18 auf einen Referenzpegel bezogen.
Der Hysteresekomparator 18 ist (in Zusammenarbeit mit dem RC-Filter 20) in der Lage, Spannungsänderungen im Ausgangssignal des Differenzverstärkers 16 zu erkennen und als High-Low-Signal auszugeben. Dieser Sachverhalt ist in 3 dargestellt, in dem verschiedene, im Rahmen des dargestellten Verfahrens auftretende Spannungssignale gegen die Zeit aufgetragen sind.
Mit e ist hierbei das an dem Eingang E des Hysteresekomparators 18 anliegende Signal bezeichnet. Dieses Signal entspricht dem mittels des Differenzverstärkers 16 verstärkten Spannungsabfallsignal des Feldeffekttransistors 12, welches in 2 dargestellt ist. Das an dem Eingang Ref des Hysteresekomparators 18 anliegende Signal (Referenzsignal) ist mit r bezeichnet.
Das am Ausgang A des Hysteresekomparators 18 anliegende Signal ist mit a bezeichnet. Man erkennt, daß auf der Grundlage der Überschreitung bzw. Unterschreitung des Referenzsignales r durch das Signal e eine Rechteckspannung (Ausgangsspannung a) generierbar ist, deren Frequenz der Drehzahl des Motors 10 proportional ist.
Durch die dargestellte Schaltung ist es möglich, kleine Stromänderungen, wie sie durch den Spannungsabfall am Transistor 12 gegeben und in 2 dargestellt sind, zuverlässig zu erfassen und auszuwerten. Erfindungsgemäß erhält man so ein drehzahlproportionales Frequenzsignal (Signal a) ohne Toleranzfehler durch unzureichend bekannte Toleranzen bzw. Parameter. Die erfindungsgemäß dargestellte Schaltung stellt eine einfache Auswerteschaltung ohne die Notwendigkeit eines aufwendigen Abgleiches oder komplexerer Kompensationsschaltungen zur Verfügung.
Der oben erwähnte Referenzpegel bzw. eine entsprechende Referenzspannung wird zweckmäßigerweise durch einen Tiefpass mit an das Gesamtsystem angepasster Zeitkonstante gebildet und stellt so eine Spannung dar, die sich aus den gegebenen Bedingungen zum aktuellen Zeitpunkt bildet. Dadurch können umgebungsbedingte Schwankungen und Bauteiltoleranzen weitestgehend kompensiert werden. Insbesondere erweist es sich als zweckmäßig, als Referenzspannung einen Mittelwert des am Eingang E des Hysteresekomparators 18 anliegenden Spannungssignals zu verwenden. Mit einem derart gebildeten Referenzsignal ist eine Anpassung des Referenzsignals an Veränderungen des am ersten Eingang E des Hysteresekomparators bzw. dem Ausgang des Differenzverstärkers 16 vorliegenden Signals möglich.

Claims

Verfahren zur Erfassung der Drehzahl eines Gleichstrommotors, welcher über einen Feldeffekttransistor (12) mit Spannung versorgt wird. dadurch gekennzeichnet, daß der beim Motorbetrieb am Feldeffekttransistor (12) auftretende Spannungsabfall zum Erhalt eines Spannungssignals gemessen und mit einem Referenzpegel verglichen wird, wobei auf der Grundlage dieses Vergleiches ein der Motordrehzahl proportionales Frequenzsignal generiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannungssignal mittels eines Verstärkers, insbesondere eines Differenzverstärkers (16), erfasst und verstärkt wird, und das so erhaltene verstärkte Spannungssignal mittels eines Hysteresekomparators (18) mit dem Referenzsignal verglichen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Gleichstrommotor um einen Pumpenmotor, insbesondere einen Pumpenmotor im Rahmen eines ABS/ESP-Systems handelt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzspannung unter Verwendung eines Tiefpasses mit an das Gesamtsystem angepasster Zeitkonstanten gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzsignal auf der Grundlage eines Mittelwertes des der Motordrehzahl proportionalen Frequenzsignals bzw. des an einem ersten Eingang E des Hysteresekomparators (18) anliegenden Signals gebildet wird.
Vorrichtung zur Erfassung der Drehzahl eines über einen Feldeffekt-Transistor (12) mit Spannung beaufschlagbaren Gleichstrommotors, gekennzeichnet durch einen Verstärker, insbesondere einen Differenzverstärker (16), zur Erfassung und Verstärkung eines dem Spannungsabfall am Feldeffekt-Transistor (12) beim Motorbetrieb entsprechenden Spannungssignals, und einen Hysteresekomparator (18) zum Vergleich des so verstärkten Spannungssignals mit einem Referenzpegelsignal zum Erhalt eines der zu erfassenden Drehzahl proportionalen Frequenzsignals.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Gleichstrommotor um einen Pumpenmotor, insbesondere um einen Pumpenmotor im Rahmen eines ABS/ESP-Systems handelt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzpegel unter Verwendung eines Tiefpassfilters gebildet wird.