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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Bestimmung der
Drehzahl eines Gleichstrom-Motors, die Verwendung einer derartigen
Anordnung in einem Lüfter
und einer Pumpe sowie ein Verfahren zur Bestimmung der Drehzahl
eines Gleichstrom-Motors.
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Die
Drehzahl von Motoren kann mit unterschiedlichen Methoden bestimmt
werden. Dabei kann grundsätzlich
zwischen solchen Methoden unterschieden werden, bei denen mit zusätzlichen
Sensoren oder Gebern gearbeitet wird, wie beispielsweise mit Hall-Elementen
oder Lichtschranken zur Erzeugung eines drehzahlproportionalen Signals,
sowie zwischen solchen Methoden, bei denen der Motorstrom oder die
Motorspannung ausgewertet wird, um ein drehzahlproportionales Signal
zu erzeugen.
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In
dem Dokument
DE 1 673 364 beispielsweise
wird die Drehzahl dadurch bestimmt, daß zeitliche Änderungen
des Motorstroms bedingt durch Stromwechsel von einer Kollektorlamelle
zur nächsten
mit Impulsformerstufen und Meßgeräten, beispielsweise
Drehspulinstrumenten, ausgewertet werden.
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In
dem Dokument DD 254 254 A1 ist ebenfalls eine Schaltungsanordnung
zur Erzeugung eines drehzahlproportionalen Signals bei Gleichstrom-Kommutatormotoren
gezeigt, bei dem spannungsgesteuerte Hochpaß- und Tiefpaß- und Schmalbandpaßfilter
zur Signalauswertung vorgesehen sind.
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In
den Dokumenten
DE
199 15 875 A1 und
DE
199 15 877 A1 sind Verfahren und Vorrichtungen zur Drehzahlmessung
eines Gleichstrom-Kommutatormotors gezeigt, bei denen die Drehzahlauswertung
mittels Frequenzanalyse bzw. einer Zeitsynchronisation erfolgt.
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In
dem Dokument
DE 197
29 238 C1 wird mit Hilfe eines parallel zum Motor arbeitenden
Motormodells und elektromechanischen Motorgleichungen eine Zustandsschätzung der
wahrscheinlichen, aktuellen Drehzahl aus der Motorspannung oder
dem Motorstrom extrapoliert.
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Alle
beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen haben die Eigenschaften
gemeinsam, daß sie zur
Drehzahlbestimmung keine zusätzlichen
Sensoren oder Geber benötigen,
sondern die Drehzahl mit Vorteil aus der Motorspannung oder dem
Motorstrom ermitteln. Dazu werden verhältnismäßig aufwendige Vorrichtungen
und/oder rechenintensive Verfahren benutzt. Zudem sind einige Verfahren
und Vorrichtungen lediglich für
bestimmte Motortypen ausgerichtet und geeignet. Einige der beschriebenen
Methoden sind zudem nicht geeignet, zeitlichen Änderungen der Motorparameter
zu folgen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung und ein Verfahren
zur Bestimmung der Drehzahl eines Gleichstrom-Motors anzugeben, welches eine kontinuierliche
Messung der Drehzahl ermöglicht
und dabei mit geringem Aufwand realisiert werden kann.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe bezüglich
der Anordnung mit einer Anordnung zur Bestimmung der Drehzahl eines
Gleichstrom-Motors gelöst, umfassend
- – einen
Signaleingang zum Zuführen
eines von der Motorspannung oder dem Motorstrom des Gleichstrom-Motors
abgeleiteten Signals,
- – einen
Analog/Digital-Wandler mit einem Eingang, der mit dem Signaleingang
gekoppelt ist, und mit einem Ausgang zur Bereitstellung einer Folge
von Abtastwerten,
- – einen
ersten Mittelwertbildner der Folge von Abtastwerten, der mit dem
Ausgang des Analog/Digital-Wandlers gekoppelt ist,
- – einen
zweiten Mittelwertbildner der Folge von Abtastwerten, der mit dem
Ausgang des Analog/Digital-Wandlers gekoppelt ist, wobei die erste und
die zweite Mittelwertbildung jeweils auf eine unterschiedliche Anzahl
von Abtastwerten bezogen sind,
- – einen
Vergleicher, der mit dem ersten und dem zweiten Mittelwertbildner
verbunden ist und an seinem Ausgang ein Vorzeichen in Abhängigkeit vom
Vergleichsergebnis bereitstellt, und
- – eine
Recheneinheit, die mit dem Vergleicher gekoppelt ist zur Bestimmung
der Drehzahl des Gleichstrom-Motors in Abhängigkeit von der Anzahl der
Abtastwerte zwischen Vorzeichenwechseln.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Anordnung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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So
kann bevorzugt ein digitaler Signalprozessor vorgesehen sein, der
den ersten Mittelwertbildner, den zweiten Mittelwertbildner, den
Vergleicher und die Recheneinheit umfaßt.
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Weiter
bevorzugt ist ein Strom-Meßwiderstand
vorgesehen, der den Signaleingang der Anordnung bildet.
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Weiter
bevorzugt kann ein in Reihe zum Motor angeordneter Widerstand vorgesehen
sein. Dabei braucht mit Vorteil der Motor während der Ausführung der
Drehzahlmessung nicht von einer Versorgungsspannungsquelle getrennt
werden. Der Motor muß nicht
in einen Generatorbetrieb umgeschaltet werden, um eine Drehzahlmessung
durchzuführen.
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Der
Strom-Meßwiderstand
kann an beliebiger Stelle in Reihe zum Motor angeordnet sein, also beispielsweise
am Motor-Pluspol
oder am Motor-Minuspol.
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Es
kann ein Gleichspannungsverstärker
vorgesehen sein, der den Signaleingang mit dem Eingang des Analog/Digital-Wandlers
koppelt.
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Die
Differenz-Gleichspannung über
dem Strom-Meßwiderstand
kann bevorzugt mittels eines Gleichspannungsverstärkers mit
bevorzugt massefreier Eingangsstufe verstärkt und als zeitkontinuierliches,
massebezogenes Signal am Ausgang des Verstärkers bereitgestellt werden.
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Der
Gleichstrom-Motor ist bevorzugt ein Gleichstrom-Kommutatormotor.
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Im
Falle eines Bürsten-Motors
weist die Differenzspannung über
dem Strom-Meßwiderstand
außer
einem Gleichstromanteil zur Speisung des Motors auch zeitlich veränderliche
Stromanteile auf. Diese zeitlich veränderlichen Stromanteile werden unter
anderem durch die Stromübernahme
der Schleifkontakte von einem Motorsegment zum nächsten verursacht und sind
deshalb drehzahlproportional.
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Bei
dem vorgeschlagenen Prinzip werden zeitliche Änderungen von Motorspannung
oder Motorstrom erfaßt.
Hierfür
sind keine zusätzlichen
Sensoren nötig.
Vielmehr kann das Prinzip mit geringem Aufwand bevorzugt in integrierter
Schaltungstechnik implementiert werden. Es sind lediglich ein Analog/Digital-Wandler sowie ein
Mikro-Controller oder andere Mittel zur digitalen Signalverarbeitung
vorgesehen, welche Mittelwertbildungen, Vergleich und Drehzahlberechnung
ausführen.
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Bezüglich des
Verfahrens wird die Aufgabe gelöst
durch ein Verfahren zur Bestimmung der Drehzahl eines Gleichstrom-Motors mit den Schritten:
- – Erfassen
der Motorspannung oder des Motorstroms oder eines von Motorspannung
oder Motorstrom des Gleichstrom-Motors
abgeleiteten Signals,
- – Abtasten
des Signals und Bereitstellen einer Folge von Abtastwerten,
- – Bilden
eines ersten Mittelwerts einer ersten Anzahl von Abtastwerten,
- – Bilden
eines zweiten Mittelwerts einer zweiten Anzahl von Abtastwerten,
- – Vergleichen
des ersten Mittelwerts mit dem zweiten Mittelwert und Bereitstellen
eines Vorzeichens des Ergebnisses,
- – Berechnen
der Drehzahl in Abhängigkeit
von der Anzahl der Abtastwerte zwischen Vorzeichenwechseln.
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Bevorzugte
Weiterbildungen des beschriebenen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.
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So
ist bevorzugt die erste Anzahl von Abtastwerten größer als
die zweite Anzahl von Abtastwerten.
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Der
erste und der zweite Mittelwert werden bevorzugt fortlaufend mit
den eingehenden Abtastwerten aktualisiert.
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Bevorzugt
werden die stets aktualisierten Mittelwerte miteinander fortlaufend
verglichen.
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In
der Recheneinheit wird bevorzugt die jeweils zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Vorzeichenwechseln gebildete Anzahl von Abtastwerten mit der Zeit
zwischen den einzelnen Abtastwerten multipliziert und damit die
halbe Periodendauer der elektrischen Kontaktwechsel des Motors errechnet.
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Die
Drehzahl wird bevorzugt in Abhängigkeit der
Zeit ermittelt, die zwischen zwei elektrischen Kontaktwechseln der
Kollektorlamellen zum Schleifkontakt bzw. den Kontaktbürsten verstreicht.
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Die
Drehzahlmessung erfolgt gemäß dem vorgeschlagenen
Verfahren bevorzugt kontinuierlich. Dabei ist mit Vorteil keine
Umschaltung vom Motorbetrieb in einen Generatorbetrieb nötig.
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Die
Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der Figur
näher erläutert.
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Es
zeigt:
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die
Figur ein Ausführungsbeispiel
des vorgeschlagenen Prinzips anhand eines Blockschaltbildes.
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Die
Figur zeigt eine Anordnung zur Bestimmung der Drehzahl eines Gleichstrom-Motors 1.
Zu seiner elektrischen Versorgung ist der Gleichstrom-Motor 1 an
eine Spannungsquelle 2 angeschlossen. Die Spannungsquelle 2 ist
zu- und abschaltbar aus geführt
und stellt ein veränderbares
Signal bereit. In Serie zu dem Gleichstrom-Motor 1 ist ein
Serienwiderstand 3 an die Spannungsquelle 2 geschaltet.
Der Serienwiderstand 3 ist als Meß-Widerstand ausgestaltet,
englisch: shunt. Die beiden Anschlüsse des Meß-Widerstands 3 sind
mit Eingängen eines
DC-Verstärkers 4 verbunden.
Der Verstärker 4 ist
als Gleichspannungsverstärker
ausgeführt
und hat eine massefreie Eingangsstufe. Der Ausgang des Gleichspannungsverstärkers 4,
an dem ein massebezogenes Signal bereitgestellt wird, ist mit dem
Eingang eines Analog/Digital-Wandlers 5 verbunden. Der
Analog/Digital-Wandler 5 ist ausgelegt zum Abgeben einer
Folge von Abtastwerten an seinem Ausgang. Der Ausgang des Analog/Digital-Wandlers 5 ist mit
dem Eingang eines Mikro-Controllers 6 verbunden.
Der Mikro-Controller 6 umfaßt einen ersten Mittelwertbildner 61 und
einen zweiten Mittelwertbildner 62, deren Eingänge mit
dem Ausgang des Analog/Digital-Wandlers 5 gekoppelt
sind. An Ausgänge
der beiden Mittelwertbildner 61, 62 ist ein Vergleicher 63 angeschlossen,
dessen Ausgang wiederum mit einer Recheneinheit 64 gekoppelt
ist. Die Recheneinheit 64 stellt an ihrem Ausgang ein drehzahlproportionales
Signal bereit. Ein weiterer Eingang der Recheneinheit 64 ist
mit dem Ausgang des Analog/Digital-Wandlers 5 gekoppelt.
Die Recheneinheit 64 ist ausgelegt zum Multiplizieren der
Anzahl der abgetasteten Einzelwerte zwischen zwei Vorzeichenwechseln
mit der Zeit zwischen den einzelnen Abtastvorgängen. Dieser Wert entspricht
der halben Periodendauer der elektrischen Kontaktwechsel des Motors 1. Der
Vergleicher 63 stellt hierfür jeweils ein Vorzeichen des
Vergleichs zwischen den Mittelwerten des ersten und des zweiten
Mittelwertbildners 61, 62 bereit.
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Gemäß dem vorgeschlagenen
Verfahren zur kontinuierlichen Periodendauermessung wird die Zeit,
die bei einem sich drehen den Kollektormotor 1 zwischen
elektrischen Kontaktwechseln der einzelnen Kollektorlamellen zum
Schleifkontakt verstreicht, gemessen. Dies wird erreicht, indem
dadurch verursachte elektrische Änderungen
der physikalischen Eigenschaften des Motors 1, welche an
seinen elektrischen Anschlüssen,
insbesondere über
dem Widerstand 3 als analoge physikalische Größe eingeprägt werden,
einem Analog/Digital-Wandler 5 zugeführt werden. Der Analog/Digital-Wandler 5 tastet diese Änderungen
in einem vorgegebenen Zeitraster innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters
ab und gibt die abgetasteten Momentanwerte als digitale Zahlenwertreihe
aus. Aus den digitalen Zahlenwerten wird in einem ersten Mittelwertbildner 61 aus
einer größeren Anzahl
von Abtastwerten ein erster Mittelwert errechnet, und dieser Mittelwert
wird durch eingehende Zahlenwerte fortlaufend aktualisiert. Weiterhin
wird aus den digitalen Abtastwerten eine zweite Mittelwertbildung
dadurch vorgenommen, daß der
Mittelwert aus einer geringeren Anzahl von Einzelwerten im Verhältnis zu
dem ersten Mittelwert errechnet wird. Auch der zweite Mittelwert
wird durch eingehende weitere Abtastwerte fortlaufend aktualisiert.
Mit dem Vergleicher 63 werden der erste Mittelwert und
der zweite Mittelwert wiederkehrend verglichen. Dabei wird das Vorzeichen
des Vergleichs gebildet. Die Anzahl der Abtastwerte zwischen den
Vorzeichenwechseln der wiederkehrenden Vergleichsergebnisse wird
mit der Zeitdauer zwischen den einzelnen Abtastungen multipliziert.
Diese Zeitdauer wird von der Abtastrate des Analog/Digital-Wandlers
vorgegeben. Durch die Multiplikation wird die halbe Periodendauer
der elektrischen Kontaktwechsel des Motors 1 errechnet.
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Gemäß dem vorgeschlagenen
Prinzip wird eine besonders kostengünstige Systemlösung bereitgestellt,
mit der eine Motordrehzahlmessung ohne zusätzliche Vorrichtungen und folglich
mit geringen Kosten realisiert werden kann. Insbesondere kann die
gewonnene Motordrehzahl zu einer Motordrehzahlregelung verwendet
werden.
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Die
benötigten
Vorrichtungen wie Gleichtaktverstärker 4, Analog/Digital-Wandler 5 und
Mikro-Controller 6 sind in einer Motorsteuerung ohnehin notwendigerweise
vorhanden, auch dann, wenn keine Drehzahlmessung und/oder keine
Drehzahlregelung ausgeführt
wird. Deshalb ist das vorliegende Verfahren zur Drehzahlmessung
mit besonders geringem Aufwand und kostengünstig realisierbar.
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Als
auszuwertendes Signal für
die Drehzahlmessung dient vorliegend die zeitkontinuierliche Gleichspannung über einen
in Reihe zum Motor 1 angeordneten Widerstand 3.
Der Motor 1 arbeitet ständig
im Normalbetriebsmodus und muß während der Durchführung der
Drehzahlmessung auch weder von der Versorgungsspannungsquelle getrennt
werden, noch in einem Generatorbetrieb arbeiten.
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Der
Meß-Widerstand 3 ist
vorliegend am Motor-Minuspol angeordnet, der sogenannten low side, kann
alternativ aber auch am Motor-Pluspol, der sogenannten high side,
angeordnet sein.
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Der
Motorstrom und damit auch die Differenzspannung über dem Strom-Meßwiderstand 3 weist
neben dem Gleichstromanteil zur Speisung des Motors beispielsweise
im Falle eines Bürstenmotors auch
zeitlich veränderliche
Stromanteile auf, welche durch die Stromübernahme der Schleifkontakte,
beispielsweise Kohlebürsten,
von einem Motorsegment zum nächsten
verursacht werden und deshalb drehzahlproportional sind.
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Die
Differenz-Gleichspannung über
dem Meß-Widerstand 3 wird
mit dem Gleichspannungsverstärker 4 mit
massefreier Eingangsstufe verstärkt und
als zeitkontinuierliches, massebezogenes Signal am Ausgang des Verstärkers 4 bereitgestellt.
Die so erzeugte Gleichspannung wird dem Eingang eines Analog/Digital-Wandlers
zugeführt
und mit ausreichend hoher Abtastrate in eine Folge von digitalen Meßwerten
gewandelt. Mit dem vorliegenden Verfahren wird im digitalen Signalprozessor
aus den digitalen Abtastwerten die Drehzahl des Motors bestimmt. Das
Verfahren ist dabei so ausgelegt, daß es mit minimaler Rechenleistung
und besonders geringem Speicherbedarf auskommt. Das beschriebene
Verfahren ist insbesondere in einfacher Weise mit 8-Bit-Mikroprozessoren
realisierbar.
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Im
Rahmen einer Kalibrierung kann mit Vorteil eine umfangreiche Meßreihe bei
einem normalen Motorbetrieb aufgenommen werden, um mit Hilfe einer
statistischen Signalanalyse grundlegende Informationen über die
Nutz- und Störspektren
des Signals abzuleiten und eine Signalkonditionierung durchzuführen. Anschließend kann
ein auf das betriebsabhängig
auftretende Störspektrum
zugeschnittenes Signalmodell für
die Signalform der vom Motor selbst erzeugten Wechselspannung ermittelt werden.
Das Signalmodell mit Nutzspektrum, welches bezüglich der Zeitverläufe und/oder
Signalfrequenzen parametrisierbar ist, kann dabei für den aktuellen
Motorbetriebsfall adaptiert werden.
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Ein
zusätzlicher
Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß das beschriebene Verfahren
bei starken Veränderungen
des Betriebszustands des Motors wie Stromform, Dynamikbereich des
Signals, Drehzahl, Lastbedingungen, Störspektrum der pulsweitenmodulierten
Steuerung usw. anwendbar ist. Das Verfahren eignet sich aber auch
für starke
Unterschiede motorspezifi scher Charakteristika wie Motortypen, Laufeigenschaften,
alterungsbedingte Änderungen
in der Motorcharakteristik et cetera. Typische Kenngrößen können dabei
mit Vorteil ohne eine aufwendige Signaltransformation, das heißt ohne
Anwendung einer schnellen Fourier-Transformation, englisch: FFT,
fast fourier transformation, oder Ähnliches, gewonnen werden.
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Ein
noch weiterer Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens besteht darin,
daß die
Funktionalität vollständig in
Software abgebildet werden kann, nämlich im Mikro-Controller 6,
und somit flexibel an unterschiedliche Anwendungsfälle angepaßt werden kann.
Da keinerlei zusätzliche
Hardware benötigt wird,
entsteht eine sehr kostengünstige
Systemlösung.