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Die
Erfindung betrifft eine Waschmaschine mit einem Antrieb gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
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Die
Ausstattung von Waschmaschinen mit solchen Antriebsmotoren, wie
sie etwa in der
US 6,008,603
A beschrieben sind, ist marktüblich. Die Kommutierung des
Motorstromes in Abhängigkeit von
der momentanen Drehwinkelstellung des permanentmagnetischen Rotors
im Antriebsmotor erfolgt mittels in die Motorsteuerung eingespeister
Sensorsignale, die von Magnetfeldsensoren generiert werden, welche
im Luftspalt zwischen Stator und Rotor des Motors den Durchlauf
eines Rotorpoles durch eine maschinenfeste Referenzstellung erfassen
und an die Prozessorsteuerung für
einen Wechselrichter zur phasenrichtigen Steuerung der Umlaufgeschwindigkeit
des Stator-Drehfeldes und damit zur Vorgabe der Rotor-Drehzahl melden.
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Derartige
bürstenlose,
elektrisch kommutierende Permanentmagnet-Motoren sind betriebstechnisch
als drehzahlsteuerbare Antriebsmotoren für die Waschtrommeln in Waschmaschinen
geeignet. Nachteilig ist jedoch, dass in solch einen Motor längs des
Umfangs des hohlzylindrischen Luftspalts zwischen Stator und Rotor
eine Anzahl von Magnetfeldsensoren eingebaut werden muss. Das ist
aus Platzgründen
kritisch, zumindest kostspielig; und das mindert die mechanischen
und die elektrodynamischen Eigenschaften des Motors, jedenfalls
wenn die Magnetfeldsensoren in zum Zentrum des Rotors hin sich öffnende
Hohlräume
in Statorpolen eingebaut werden. Darüber hinaus ist es von funktionalem Nachteil,
dass solche Magnetfeldsensoren schon auf das breite Streufeld eines
Rotor-Dipoles ansprechen und deshalb keine winkelmäßig besonders
exakte Signalgabe bei Erreichen einer bestimmten, für den optimalen
Kommutierungsvorgang maßgeblichen
Drehwinkelstellung des Rotors liefern.
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In
Erkenntnis dieser Gegebenheiten liegt vorliegender Erfindung die
technische Problemstellung zugrunde, für einen optimierten Kommutierungsvorgang
bei Waschmaschinenantrieben die Rotorstellung relativ zum Stator
präziser
zu erfassen, und das sogar, ohne mechanische Eingriffe in die Motorkonstruktion
vornehmen zu müssen.
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Diese
Aufgabe ist gemäß der im
Hauptanspruch angegeben Kombination der wesentlichen Merkmale erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die Rotorstellung relativ zum Motorstator nicht mehr unmittelbar über das
Rotormagnetfeld, durch einen Magnetfeldsensor am Luftspalt des Motors,
erfasst wird, sondern mit wesentlich größerer Drehwinkelauflösung durch
einen Drehbewegungs-Inkrementalgeber, der mit der Waschtrommelachse
drehstarr gekoppelt ist.
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Dadurch
braucht nicht mehr in den für
den Wirkungsgrad des Motors kritischen Luftspaltbereich eingegriffen
zu werden, um die den jeweils bevorstehenden Kommutierungsvorgang
auslösende
Rotorwinkelstellung zu erfassen, weil diese nun indirekt – außerhalb
des Motors – und
mit erhöhter
Winkelauflösung
erfasst wird. Das in Abhängigkeit
von der momentanen Drehstellung des permanentmagnetischen Rotors
erfolgende Umschalten der Feldwicklungen für ein umlaufendes Drehfeld
im Antriebsmotor kann nun auch deshalb sehr viel präziser geschehen,
als bei Ableitung aus dem breit streuenden Rotor-Dipolfeld, weil
eine definierter ansprechende, insbesondere optoelektronische Sensorik
zum Gewinnen von Inkremental-Zählimpulsen
einsetzbar ist.
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Nunmehr
ist also statt der Magnetfeldsensoren für die Drehwinkelerfassung des
Rotors ein Inkrementalzählsystem
vorgesehen, das darauf beruht, in Bezug auf den Umfang der Waschtrommel äquidistant
angeordnete Aktuatoren an einer von der Welle der Trommel oder des
Rotors eines Direktantriebs getragenen Aktuatorenscheibe auf einen
maschinenfesten Impulsgeber einwirken zu lassen, dessen Impulsgabe
von einem in eine definierte Anfangsstellung synchronisierbaren
Zäh ler
aufsummiert wird. Bezogen auf diese definierte Anfangsstellung entspricht
daher der Aufeinanderfolge der Aktuatoren und somit jeder Zählstellung
einer bestimmte Drehwinkelstellung der Waschtrommel und somit auch des
drehstarr an ihre Welle gekoppelten Rotors ihres Antriebsmotors.
Deshalb ergibt die große
Anzahl an mit einem Umlauf der Trommel an ihrer Welle anfallenden
Zählimpulsen
eine entsprechend hohe Auflösung
der fortlaufenden Erfassung des Rotordrehwinkels zum winkelgerechten
Einleiten des Kommutierungsvorgangs zwischen den Feldwicklungen
für das Drehfeld
bei der Motoransteuerung.
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Vorzugsweise
wird der statorfeste Impulsgeber jeweils von einem Paar geringfügig phasenversetzter,
also in Bewegungsrichtung gegeneinander versetzter Aktuatoren angeregt,
oder aber jeder der äquidistant
aufeinander folgenden Aktuatoren regt zwei geringfügig in Bewegungsrichtung
der Aktuatoren gegeneinander versetzte Impulsgeber an. Aus dieser
Doppelpulsfolge kann dann in als solcher bekannter Weise die Bewegungsrichtung
der Aktuatoren relativ zum Impulsgeber – und damit die aktuelle Drehrichtung
der Trommel – für momentan
summierend oder subtrahierend saldierenden Betrieb des Inkrementalzählers abgeleitet
werden.
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Dieser
Zähler
wird jedenfalls zu Betriebsbeginn in eine Zählanfangs- oder Referenzstellung,
vorzugsweise durch Rücksetzen
auf den Zählwert NULL,
synchronisiert. Das erfolgt vorzugsweise auch danach noch periodisch
während
des Betriebs, insbesondere mit einem jeden ganzzahligen Vielfachen der
vollen Umdrehung der Waschtrommel. Dafür kann ein weiterer, nur einmal
während
eines Umlaufes der Waschtrommel auf einen Impulsgeber wirkender
Aktuator vorgesehen sein, der beispielsweise auf einer axial versetzten
Umlaufspur von einem ihm eigens zugeordneten Impulsgeber erfaßt wird;
oder aber eine definierte Anordnung einer Mehrzahl von Aktuatoren
in einer Referenzposition bezüglich
der Waschtrommel führt
zu einer einzigen, definierten Mehrfachimpulsgabe pro Umdrehung
der Waschtrommel, die zu Betriebsbeginn zur Synchronisation des
Zählers
auf diese Drehwinkel-Referenzstellung dekodiert wird und dann während des
Betriebs herausgefiltert oder sonst wie unterdrückt wird, um den drehwinkelabhängigen Zählervorgang
nicht zu verfälschen.
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Eine
solche Synchronisierung des Inkrementalzählers auf die Trommelumdrehung
kann zu Betriebsbeginn des Waschprozesses aber auch ohne Auslösung und
Auswertung einer zusätzlichen,
singulären
Impulsgabe erfolgen, nämlich
indem zu Betriebsbeginn der Motor zunächst mit einem starken Gleichstrom
durch eine räumlich
definierte diametrale Paarung von Stator-Feldspulen gespeist wird,
deren Dipolfeld den permanentmagnetischen Rotor folglich zunächst in
diese Statorstellung verdreht. Nun kann der Inkrementalgeber initialisiert,
also der Zähler
für diese
Rotorwinkelstellung in die Zählanfangsstellung
gesetzt werden. Der Motor wird sodann aus dieser definierten Anfangsstellung
heraus über die
Ansteuerung des ihm vorgeschalteten Wechselrichters in Betrieb gesetzt.
Das damit hochlaufende Zählergebnis
gibt wieder die Winkelstellung des Rotors relativ zu jener Betriebsanfangsstellung
an, weil die Anzahl an Zählimpulsen
pro Umdrehung der Trommel durch die vorgegebene Anzahl an Aktuatoren
zur Auslösung
von Zählimpulsen
konstruktiv vorgegeben ist. Das aktuelle Zählergebnis liefert somit eine
sehr präzise
von der aktuellen Drehwinkelstellung des Rotors abhängige Kommutierung
des Motorstromes über
die Umsteuerung des Wechselrichters auf Bestromung des in Drehrichtung
jeweils nächstfolgenden
Feldspulenpaares.
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Auch
während
des laufenden Betriebes ist eine drehstellungsabhängige Zählersynchronisierung
ohne Rückgriff
auf Zählimpulse
des Inkrementalsensors möglich,
womit der Zählerstand
des Inkrementalgebers fortlaufend überprüft bzw. korrigiert werden kann.
Dafür kann
auf das in der
US 6,249,094
B1 näher
erläuterte
Verfahren zurückgegriffen
werden, die Rotorstellung daraus abzuleiten, dass während einer
Stromlücke
in einem Statorspulenstrang (etwa während verlängerten Nulldurchgangs eines
quasi-sinusförmigen
Motorstromes) die in diesem Strang vom sich drehenden Rotor gerade induzierte
Klemmenspannung und deren Phasenlage gegenüber dem Statorstrom durch diesen
Strang erfaßt
werden.
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Zusätzliche
Vorteile und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich aus den weiteren
Ansprüchen
und aus nachstehender Beschreibung eines in der Zeichnung skizzierten
bevorzugten Realisierungsbeispiels zur erfindungsgemäßen Lösung. Die
einzige Figur der Zeichnung zeigt, mittels Blockschaltbildern auf
das Funktionswesentliche abstrahiert, einen Waschmaschinenantrieb
mit bürstenloser
sensorgesteuerter Kommutierung über seinen
prozessorgesteuerten Wechselrichter.
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Im
Gehäuse
einer Waschmaschine 11 ist deren Waschtrommel um eine etwa
horizontale Achse drehbar gelagert und drehstarr mit dem permanentmagnetischen
Rotor 13 eines Synchron-Antriebsmotors 14 verbunden.
Diese konstruktiv winkelstarre Verbindung kann durch eine Transmission,
vorzugsweise eine Ketten- oder
Zahnriemenübertragung
realisiert sein; primär
wird aber die Bauform eines Direktantriebs gewählt, bei dem der Rotor 13 drehstarr
mit der Welle der Waschtrommel 12 verbunden ist.
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Beim
Antriebsmotor 14 handelt es sich um einen bürstenlosen
Gleichspannungsmotor bzw. Synchronmotor, dessen permanentmagnetischer
Rotor 13 mit dem von einem programmsteuerbaren Wechselrichter 16 hervorgerufenen
Drehfeld im Stator 15 rotiert. Dieses Drehfeld wird von
einem mehrphasigen Wicklungssystem im Stator 15 erzeugt,
das über
einen entsprechend mehrphasigen Wechselrichter 16 (auch
als Inverter bezeichnet) periodisch und phasenversetzt bestromt
wird. Dazu werden die den jeweiligen Wicklungssträngen des
Stators 15 zugeordneten Halbbrücken 17 des Wechselrichters 16 aus
einem Prozessor 18 in als solcher bekannter Weise zyklisch
derart angesteuert, dass sich das mit der gewünschten Winkelgeschwindigkeit
umlaufende Drehfeld im Stator 15 des Antriebsmotors 14 einstellt. Die
elektrische Energie dafür
wird aus dem kapazitiven Speicher eines Gleichstromzwischenkreises 19 bezogen,
der über
einen Wechselspannungs-Gleichspannungs-Wandler 20 aus
dem allgemeinen Wechselspannungsnetz 21 nachgeladen wird.
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Für die kontinuierliche
Drehbewegung des Rotors 13 muss bei Erreichen einer bestimmten Drehwinkelstellung
des Rotors 13 relativ zum Stator 15 ein Übergang
von der Halbbrücke 17 einer
Statorspulenpaarung auf die nächste
erfolgen, also die Bestromung von einem Wicklungsstrang zum nächsten weitergeschaltet
werden. Für
diesen Kommutierungsvorgang wird nun nicht mehr unmittelbar die Stellung
des permanentmagnetischen Rotors 13 gegenüber dem
Stator 15 mittels eines in den Motor 14 eingebauten
Magnetfeldsensors erfaßt,
sondern die mit der Rotor-Drehwinkelstellung
und mit der Drehwinkelstellung der Waschtrommel überein stimmende Winkelstellung
einer ihrerseits drehstarr von der Welle der Trommel 11 bzw.
de Rotors 13 verbundenen Aktuatorscheibe 12 relativ
zum Maschinengehäuse, also
auch zum Stator 15 des Motors 14 bzw. zur Trommellagerung
in der Waschmaschine 11 abgefragt. Weil die Auflösung der
Aktuatorscheibe wesentlich größer sein
kann, als die Anzahl der magnetischen Rotordipole des Rotors 12,
und weil nicht mehr das breit streuende Rotordipolfeld sensorisch erfaßt wird,
führt diese
externe Drehwinkelermittlung über
einen Inkrementalzähler
für die
Kommutierung zu einer wesentlich größeren Winkelauflösung, also über einen
präziseren
Kommutierungsvorgang zu ruhigerem Lauf auch bei extremen Drehzahlen
oder Lastmomenten.
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Die
fortlaufende inkrementale Erfassung der momentanen Rotordrehwinkelstellung
geschieht vorzugsweise mittels eines als Lichtschranke arbeitenden
optoelektronischen Inkremental-Sensors 22. Dessen Impulsgeber 23 reagiert
auf die Passage von Aktuatoren 24, welche längs eines
zur Drehachse koaxialen Kreises an der Scheibe 12 ausgebildet
oder befestigt sind. Bei diesen Aktuatoren 24 kann es sich beispielsweise
um eine Folge von Reflektoren handeln, die bei ihrer Passage einen
Impulsgeber 23 in Form einer Reflexlichtschranke anregen;
oder um eine Folge von Blendenlöchern
längs des
Umfangs der Scheibe 12, die zwischen Sender und Empfänger einer
Gabellichtschranke (auch als Transmissionslichtschranke bezeichnet)
als dem Impulsgeber 23 verlagert werden. Das ist in der
Zeichnung konstruktiv nicht näher
ausgeführt,
da derartige Impulsgeber 23 als Lichtschranken kommerziell
erhältlich
sind.
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Die
im Zuge der Drehbewegung der Scheibe 12 vom Impulsgeber 23 gelieferte
Folge von Inkremental-Zählimpulsen 25 wird
in einem Inkrementalzähler 26 aufsummiert,
der entgegen der symbolischen Prinzipdarstellung der Zeichnung in
der Praxis im Rahmen des Prozessors 18 für die Ansteuerung des
Wechselrichters 16 realisiert sein wird. Das aktuelle Zählergebnis
entspricht einer aktuellen Drehwinkelstellung der Scheibe 12 und
somit des Rotors 13 im Motor 14. Die Möglichkeit,
durch phasenverschobene Doppelimpulse über eine Impulsfolgeauswertung
die Drehrichtung der Waschtrommel 12 zu erkennen und demzufolge
die Impulse 25 am Zähleingang
des Zählers 26 alternativ
aufwärts
oder abwärts zu
zählen,
um die aktuelle Drehrichtung der Trommel 12 bei der inkrementalen
Winkelbestimmung zu berücksichtigen,
ist in der Zeichnung nicht ausgeführt.
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Um
eine auf den Stator 15 bezogene, also absolute Winkelstellungsaussage
zu erbringen, muss der Zähler 26 in
einer definierten Ausgangsdrehwinkelstellung der Waschtrommel 12 initialisiert, nämlich auf
eine definierte Ausgangszählstellung (vorzugsweise
auf den Zählwert
NULL) gesetzt werden. Dieses Synchronisieren des Zählers 26 auf
die Drehbewegung des Rotors 13 erfolgt über einen Setzeingang 27 mittels
einer Synchronisierungsinformation 28, die von einer symbolisch
als Schalter skizzierten Synchronisierungslogik 29 geliefert
wird.
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Diese
Synchronisierungslogik 29 kann darauf ansprechen, dass
im Verlaufe der an sich äquidistanten
Anordnung der Aktuatoren 24 längs der Scheibe 12 pro
Umdrehung ein einziges mal eine signifikante Unterbrechung oder
Mehrfachanregung erfolgt, die einmal zu Betriebsbeginn oder periodisch als
Referenzdrehstellung der Trommel erfasst wird und den Zähler 26 mittels
eines Synchronisierimpulses 28 über einen Setzeingang 27 in
die vorgegebene Zählanfangsstellung
(vorzugsweise auf NULL) zurücksetzt.
Im Zählerprogramm
wird berücksichtigt, dass
diese Referenzpulsgabe nur als ein Zählimpuls ausgewertet wird,
um den drehwinkelabhängigen Zählvorgang
nicht zu verfälschen.
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Der
Motor 14 kann aber statt dessen auch vor Betriebsbeginn
der Waschmaschine 11 über
eine der Halbbrücken
im Wechselrichter 16 einphasig mit Gleichstrom zum Aufbau
eines stationären
bipolaren Statormagnetfeldes betrieben werden, so dass der permanentmagnetische
Rotor 13 sich in diese Winkelstellung eindreht; womit dann
(in der Zeichnung die gestrichelte Alternative) über den Prozessor 18 der
Synchronisierimpuls 28 ausgelöst wird.
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Wenn
die aktuelle Zählstellung
des Zählers 26 auf
die aktuelle Ausgangsdrehstellung der Scheibe 12 und somit
der Trommel und des Rotors 13 synchronisiert ist, entspricht
das ansteigende Zählresultat
der fortschreitenden Drehbewegung der Scheibe 12 und somit
wiederum des Rotors 13, der Zähler 26 liefert zu
gegebener Zeit an den Prozessor 18 die Winkelinformation
für das
Kommutieren der Motoransteuerung über den Wechselrichter 16.
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Um
also insbesondere bei einem Synchronmotor 14 mit permanentmagnetischem
Rotor 13 die von der Rotordrehstellung abhängig sensorgesteuerte
Kommutierung zu präzisieren,
wird erfindungsgemäß nicht
mehr das Vorbeibewegen des magnetischen Rotordipol-Magnetfeldes
an (im Motor 14 selbst, dort im Bereiche des Luftspalts
zwischen Stator 15 und Rotor 13, installierten)
Magnetfeldsensoren abgefragt; sondern die Winkelauflösung und
die Kommutierungsauslösung
werden wesentlich verbessert, indem eine größere Anzahl (vorzugsweise größer als
die Anzahl der Magnetdipole des Rotors) von Aktuatoren 24 an
der Scheibe 12 abgefragt wird, die drehstarr unmittelbar
mit dem Rotor 13 verbunden ist. Die scheibenfesten Aktuatoren 24 lösen in einem
apparatefesten Inkremental-Impulsgeber 23 Zählimpulse 25 für einen
Inkremental-Zähler 26 aus, dessen
saldierte Zählstellung
die momentane Winkelstellung der Scheibe 12 und damit ebenso
der Trommel wie des Rotors 13 relativ zum Stator 15 angibt,
wenn der Zähler 26 zuvor
auf eine Referenz-Drehstellung der Scheibe 12 synchronisiert
wurde. Die Synchronisierung des drehrichtungsabhängig saldierenden Inkrementalzählers 26 kann
zu Betriebsbeginn mit dem Eindrehen des Rotors 13 in ein definiertes,
zunächst
noch stationäres
Statorfeld und dann periodisch während
des Betriebes durch eine signifikante Impulsgabe oder durch Auswerten
der induzierten Statorklemmenspannung an einem vorübergehend
stromlosen Spulenstrang erfolgen.