DE10359224B4 - Optimized detection of the tracking voltage in DC motors - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Erfassen der Nachlaufspannung eines Gleichstrommotors (100), wobei der Gleichstrommotor (100) eine getaktete Ansteuerung mit einem vorgebbaren Puls/Pulspausenverhältnis und eine erste Auswerteeinheit (210,220,230) aufweist,
wobei die erste Auswerteeinheit (210,220,230) wenigstens einen Kondensator (230) aufweist, der entsprechend der am Gleichstrommotor (100) erfassten Motorspannung (UMot) geladen wird, wenn ein Schaltmittel (200) durch ein entsprechendes Signal geschlossen wird,
und wobei die Nachlaufspannung in Abhängigkeit von der Ladung des Kondensators (230) bestimmt wird,
wobei, nachdem in einer Pulspause die Motorspannung auf einen Minimalwert von Null oder kleiner Null gefallen ist,
eine zweite Auswerteeinheit (310)
bei einem Anstieg der Motorspannung (UMot)
über einen Schwellenwert
das Schaltmittel (200) derart ansteuert,
dass die Motorspannung (UMot) auf dem Kondensator (230) erfasst wird.
Method for detecting the trailing voltage of a DC motor (100), wherein the DC motor (100) has a clocked drive with a predefinable pulse / pulse pause ratio and a first evaluation unit (210, 220, 230),
wherein the first evaluation unit (210, 220, 230) has at least one capacitor (230) which is charged in accordance with the motor voltage (UMot) detected at the DC motor (100) when a switching means (200) is closed by a corresponding signal,
and wherein the tracking voltage is determined as a function of the charge of the capacitor (230),
wherein after the motor voltage has dropped to a minimum value of zero or less than zero in a pulse pause,
a second evaluation unit (310)
with a rise of the motor voltage (UMot)
above a threshold
the switching means (200) drives in such a way
the motor voltage (UMot) is detected on the capacitor (230).
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung der Nachlaufspannung eines Gleichstrommotors.The invention relates to a method for detecting the tracking voltage of a DC motor.
Für verschiedene Anwendungen ist es erforderlich , die Drehzahl von Gleichstrommotoren zu erfassen. Dabei kann die Drehzahl aus der Nachlaufspannung bei einer getakteten Ansteuerung des Motors abgeleitet werden. So wird beispielsweise in der
Die Offenlegungsschrift
Die
Die
In der
Aus der
Üblicherweise erfolgt die Erfassung der Nachlaufspannung im Stand der Technik über eine Mittelung von Momentanwerten der Motorspannung in der Pulspause. Diese Mittelung ist notwendig, da die generatorische Nachlaufspannung durch das sog. Bürstenfeuer mit recht großen Störsignalen durchsetzt ist. Die Aufnahme der Momentanwerte wird beispielsweise durch die Taktung eines Mikroprozessors gesteuert, wobei zur Erzielung eines Messsignals ausreichender Güte mehrere Momentanwerte aufgenommen werden müssen, da die Streuung der Momentanwerte sehr groß sein kann. Aus dem so erhaltenen Mittelwert wird dann die Drehzahl des Gleichstrommotors berechnet.The detection of the tracking voltage in the prior art usually takes place via an averaging of instantaneous values of the motor voltage in the pulse interval. This averaging is necessary because the regenerative tracking voltage is interspersed by the so-called. Brush fire with quite large interference signals. The recording of the instantaneous values is controlled, for example, by the timing of a microprocessor, with several instantaneous values having to be taken in order to obtain a measurement signal of sufficient quality, since the scattering of the instantaneous values can be very large. From the mean value thus obtained, the speed of the DC motor is then calculated.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die Erfindung beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung der Nachlaufspannung eines Gleichstrommotors, wobei der Gleichstrommotor durch eine getaktete Ansteuerung betrieben wird. Dabei weist die getaktete Ansteuerung wenigstens während des Einschaltvorgangs des Motors ein vorgebbares Puls/Pulspausenverhältnis auf. Kern der Erfindung ist wenigstens ein Auswerteeinheit, welchedie Nachlaufspannung aus einer die Nachlaufspannung des Gleichstrommotors repräsentierenden Nachlaufspannungsgröße erfasst. Erfindungsgemäß weist die Auswerteeinheit wenigstens einen Kondensator auf, der entsprechend der am Gleichstrommotor erfassten Motorspannung geladen wird, wenn ein Schaltmittel durch ein entsprechendes Signal geschlossen wird,
wobei die Nachlaufspannung in Abhängigkeit von der Ladung des Kondensators (230) bestimmt wird. Dabei wird - nachdem in einer Pulspause die Motorspannung auf einen Minimalwert von Null oder kleiner Null gefallen ist, durch ein zweites Auswertemittel bei einem Anstieg der Motorspannung über einen Schwellenwert das Schaltmittel derart angesteuert, dass die Motorspannung auf dem Kondensator erfasst wird.The invention describes a device and a method for detecting the trailing voltage of a DC motor, wherein the DC motor is operated by a clocked drive. In this case, the clocked drive at least during the switch-on of the engine to a predeterminable pulse / pulse pause ratio. The core of the invention is at least one evaluation unit which detects the tracking voltage from a tracking voltage variable representing the tailing voltage of the DC motor. According to the invention, the evaluation unit has at least one capacitor which is charged in accordance with the motor voltage detected at the DC motor when a switching means is closed by a corresponding signal,
wherein the tracking voltage is determined in dependence on the charge of the capacitor (230). In this case - after the motor voltage has dropped to a minimum value of zero or less than zero in a pulse pause, the switching means is controlled by a second evaluation means with a rise of the motor voltage over a threshold value such that the motor voltage is detected on the capacitor.
Mit einem derartigen erfindungsgemäßen Auswertemittel kann die Nachlaufspannung schneller als mit den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren bzw. Vorrichtungen erfasst werden. Diese schnelle Erfassung erlaubt eine zügigere Bestimmung der Drehzahl des Gleichstrommotors und somit eine bessere Anpassung der Förderleistung einer an den Motor angeschlossenen Pumpe. Weiterhin wird nur die physikalisch minimal benötigte Zeit zur Erfassung der Nachlaufspannung in Anspruch genommen, da die Erfassung an den Betriebszustand des Motors automatisch angepasst und somit eine Verkürzung der Ausschaltzeit des Motors erreicht werden kann. Durch eine derartige Anpassung ist es möglich, den Motor mit einer höherfrequenten Ansteuerung zu betreiben. Eine derartige Ansteuerung hat positive Auswirkungen auf die Geräuschentwicklung, die Motordynamik und die Drehzahlstabilität. With such an evaluation device according to the invention, the tracking voltage can be detected faster than with the methods or devices known from the prior art. This rapid detection allows a more rapid determination of the speed of the DC motor and thus a better adaptation of the flow rate of a pump connected to the motor. Furthermore, only the physically minimum time required for detecting the trailing voltage is used, since the detection can be adapted automatically to the operating state of the motor and thus a shortening of the switch-off time of the motor can be achieved. By such an adaptation, it is possible to operate the engine with a higher-frequency control. Such a control has positive effects on the noise, the engine dynamics and the speed stability.
Bei der Verwendung eines integrierenden AD Wandlers, wie er beispielsweise durch einen Delta-Sigma-Wandler realisiert werden kann, steht darüber hinaus die Möglichkeit zur Verfügung, exakte Mittelwerte der Nachlaufspannung zu erhalten. Die entsprechenden Werte stehen ohne Zeitverzug und kontinuierlich zur Verfügung. Mit einem Sigma-Delta-Wandler können kürzere Zyklen zur Erfassung der generatorischen Nachlaufspannung erreicht werden, die ebenfalls eine höherfrequente Ansteuerung des Motors erlauben.When using an integrating AD converter, as can be realized, for example, by a delta-sigma converter, moreover, it is possible to obtain exact average values of the tracking voltage. The corresponding values are available without delay and continuously. With a sigma-delta converter, shorter cycles can be achieved for the detection of regenerative follow-up voltage, which also allow a higher-frequency control of the motor.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird die erste Zeitdauer tmess_off und/oder das Puls/Pulspausenverhältnis, das die Taktung der Ansteuerung des Gleichstrommotor steuert, während des Betriebs des Gleichstrommotors modifiziert. Dies kann beispielsweise in Abhängigkeit von dem zeitlichen Verlauf der Nachlaufspannungsgröße erfolgen. Vorteilhafterweise wird jedoch bei jedem Neustart die erste Zeitdauer tmess_off und/oder das Puls/Pulspausenverhältnis durch den gleichen festen Wert vorgegeben, wobei auch durchaus vorgesehen sein kann, dass die letzten Werte vor der Abschaltung des Gleichstrommotors für den Neustart des Motors verwendet werden können.In one embodiment of the invention, the first time duration t mess_off and / or the pulse / pulse pause ratio which controls the timing of the drive of the DC motor is modified during the operation of the DC motor. This can be done, for example, depending on the time course of the tracking voltage. Advantageously, however, the first time duration t mess_off and / or the pulse / pulse pause ratio is given by the same fixed value at each restart, and it may well be provided that the last values can be used before the shutdown of the DC motor for the restart of the engine.
Vorteilhafterweise erfolgt die Erfassung der Nachlaufspannungsgröße durch das erste Auswertemittel während der Pulspause in einer zweiten Zeitdauer τ. Bei der zweiten Zeitdauer τ ist jedoch zu beachten, dass die gesamte Zeitdauer aus der ersten Zeitdauer tmess_off und der zweiten Zeitdauer τ die dritte Zeitdauer der Pulspause Taus nicht übersteigen darf. Weiterhin ist insbesondere vorgesehen, dass die zweite Zeitdauer τ vorgebbar ist, beispielsweise beim Neustart des Motors, aber auch während der gesamten Erfassung. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die zweite Zeitdauer τ jedoch in Abhängigkeit vom Verlauf der Nachlaufspannung während der Erfassung der Nachlaufspannung modifiziert werden.Advantageously, the tracking voltage magnitude is detected by the first evaluation means during the pulse pause in a second time period τ. However, in the case of the second time period τ, it should be noted that the entire time duration from the first time duration t mess_off and the second time duration τ must not exceed the third time duration of the pulse interval T out . Furthermore, it is provided in particular that the second time duration τ can be predetermined, for example when the motor is restarted, but also during the entire detection. In a further embodiment of the invention, however, the second time duration τ can be modified as a function of the course of the tracking voltage during the detection of the tracking voltage.
Weiterhin ist in einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das erste Auswertemittel wenigstens einen Kondensator, insbesondere als Teil eines Tiefpasses, aufweist, wobei das Schaltmittel die Ladung des Kondensators steuert. Vorzugsweise erfolgt die Steuerung der Ladung dabei in Abhängigkeit von der Nachlaufspannungsgröße. Die Nachlaufspannung wird dann in Abhängigkeit von der Ladung des Kondensators bestimmt, beispielsweise über die am Kondensator anliegenden Spannung. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann als erstes Auswertemittel auch ein integrierender AD-Wandler vorgesehen sein.Furthermore, it is provided in one embodiment of the invention that the first evaluation means comprises at least one capacitor, in particular as part of a low-pass filter, wherein the switching means controls the charge of the capacitor. Preferably, the charge is controlled as a function of the tracking voltage magnitude. The tracking voltage is then determined as a function of the charge of the capacitor, for example via the voltage applied to the capacitor. In a further embodiment of the invention, an integrating AD converter can also be provided as first evaluation means.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist das Schaltmittel als Sample & Hold Schaltungsglied ausgebildet. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das zweite Auswertemittel wenigstens teilweise die Steuerung des Schaltmittels übernimmt.In a particular embodiment of the invention, the switching means is designed as a sample and hold circuit element. Furthermore, it can be provided that the second evaluation means at least partially takes over the control of the switching means.
Vorteilhafterweise steuert der Gleichstrommotor eine Pumpe, beispielsweise eine Rückförderpumpe in einem Fahrzeug. Darüber hinaus kann auch vorgesehen sein, dass die Nachlaufspannung dazu verwendet wird, die Förderleistung einer Pumpe abzuschätzen.Advantageously, the DC motor controls a pump, for example a return pump in a vehicle. In addition, it can also be provided that the tracking voltage is used to estimate the delivery rate of a pump.
Durch die vorgeschlagene Erfindung kann eine schnelle Erfassung der generatorischen Nachlaufspannung erreicht werden, die durch die Bewegung des Motors in der Pulspause erzeugt wird. Dies kann beispielsweise durch die schnelle Aufladung eines entsprechend dimensionierten Kondensators geschehen. Weiterhin kann durch die schnelle Erfassung der Nachlaufspannung die Ausschaltzeit des Motors verkürzt werden. Somit ist ein Betrieb des Motors mit einer höherfrequenten getakteten Ansteuerung möglich. Eine Verringerung der Ausschaltzeit des Motors beispielsweise im Rahmen einer höherfrequenten Ansteuerung kann sich positiv auf die Geräuschentwicklung, die Motordynamik und die Drehzahlstabilität auswirken.By the proposed invention, a rapid detection of the regenerative tracking voltage can be achieved, which is generated by the movement of the motor in the pulse break. This can be done for example by the rapid charging of a suitably dimensioned capacitor. Furthermore, can be shortened by the rapid detection of the trailing voltage, the switch-off of the engine. Thus, an operation of the engine with a higher-frequency clocked control is possible. A reduction in the engine off time, for example, in the context of a higher-frequency control can have a positive effect on the noise, engine dynamics and speed stability.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass die generatorische Nachlaufspannung nicht direkt, sondern beispielsweise über eine Sample&Hold-Stufe erfasst wird. Somit ist eine zeitlich optimierte Erfassung der Nachlaufspannung möglich. Durch die verkürzte Messzeit läuft der Motor gleichmäßiger, wodurch sich die Drehzahl des Motors besser regeln lässt. Weiterhin wird durch die Sample&Hold-Schaltung der Kondensator eines Tiefpasses nicht ständig auf Null entladen, so dass während der Sample-Zeit im Kondensator lediglich die Ladungsmenge nachgeladen werden muss, die den Unterschied zur letzten Messung darstellt.Another advantage of the invention is that the regenerative tracking voltage is not detected directly, but for example via a sample and hold stage. Thus, a temporally optimized detection of the tracking voltage is possible. The shortened measuring time makes the motor smoother so that the speed of the motor can be regulated better. Furthermore, the capacitor of a low-pass filter is not constantly discharged to zero by the sample and hold circuit, so that during the sample time in the capacitor only the amount of charge must be recharged, which is the difference to the last measurement.
Vorteilhafterweise kann die Erfindung bei unterschiedlichen Ansteuervarianten des Motors verwendet werden, d.h. bei getakteter Ansteuerung mit lückendem Strom, beispielsweise bei einer 50Hz-Taktung, oder nicht-lückendem Strom, beispielsweise bei einer 20kHz-Taktung bzw. HF-Taktung. Durch eine gezielte Unterbrechung der Stromversorgung kann jedoch auch die Nachlaufspannung und somit die Drehzahl eines Gleichstrommotor erfasst werden, der mit einer Daueransteuerung betrieben wird. Dazu wird erfindungsgemäß die Nachlaufspannung während der Unterbrechung erfasst. Advantageously, the invention can be used with different drive variants of the motor, ie with clocked drive with lückenendem current, for example at a 50Hz clocking, or non-licking current, for example at a 20kHz clocking or RF clocking. By a targeted interruption of the power supply, however, the tracking voltage and thus the speed of a DC motor can be detected, which is operated with a continuous control. For this purpose, the tracking voltage is detected during the interruption according to the invention.
Im Gegensatz zum Stand der Technik werden in der vorliegenden Erfindung keine Momentanwerte der Nachlaufspannungsgröße erfasst, sondern die Nachlaufspannungsgröße integral erfasst. Vorteilhafterweise wird bei dieser integralen Erfassung die Übergangsphase von der Versorgungsspannung zur generatorischen Nachlaufspannung ausgeblendet. Weiterhin verkürzt sich die Messzeit zur Erfassung der Nachlaufspannung, da keine aufwendige Aufnahme mehrerer Momentanwerte nötig ist.In contrast to the prior art, no instantaneous values of the tracking voltage magnitude are detected in the present invention, but the tracking voltage quantity is integrally detected. Advantageously, in this integral detection, the transition phase from the supply voltage to the regenerative tracking voltage is hidden. Furthermore, the measuring time for the detection of the tracking voltage is shortened, since no complex recording of several instantaneous values is necessary.
Durch den Einsatz der Erfindung lässt sich bei höherfrequenter Ansteuerung des Gleichstrommotors erreichen, dass der Versorgungsstrom weniger Spitzen aufweist, was zu einem niedrigeren Effektivwert führt. Dies äußert sich vorteilhaft auf die Bordnetzqualität aus.By using the invention, it can be achieved with higher-frequency control of the DC motor that the supply current has fewer peaks, which leads to a lower effective value. This manifests itself advantageously on the wiring quality.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.Further advantages will become apparent from the following description of exemplary embodiments or from the dependent claims.
Zeichnungendrawings
Ausführungsbeispielembodiment
Ein mögliches Beispiel der Realisierung einer getakteten Ansteuerung eines Motors zeigt
Im Stand der Technik, wie er beispielhaft in
Ein einfaches erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel ist beispielhaft in der
In den
Nachdem das Schaltmittel durch ein entsprechendes Signal (
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in
In den
Nach der erfolgreichen Ladung des Kondensators sind die Voraussetzungen zur Erfassung der Nachlaufspannung gegeben, weswegen die Pulspause beendet werden kann. Das Ende der Pulspause wird von Auswerteeinheit 310 an Steuereinheit 320 zurückgemeldet (siehe
Weiterhin kann mit der Auswerteeinheit 310 und dem ersten Auswertemittel auch die erste Zeitdauer tmess_off sowie die Messzeit tmess_on bestimmt und für die weitere Auswertung in folgenden Taktzyklen modifiziert werden. Da jedoch bei vorgegebenem Puls/Pulspausenverhältnis die Zeitdauer Taus vorgegeben sein kann und die Zeitdauer tmess_off durch das Verhalten des Motors bei ausgeschalteter Versorgungsspannung UBat vorgegeben ist, kann es vorkommen, dass die Messzeit τ, in der der Kondensator geladen wird, geringer als die maximal mögliche Messzeit tmess_on ist. Somit ergibt sich, dass gemäß
Eine Möglichkeit, die Ladung des Kondensators abzufragen, um daraus die Nachlaufspannung zu ermitteln besteht darin, einen integrierenden AD-Wandler als erstes Auswertemittel zu verwenden.One way of interrogating the charge of the capacitor to determine the tracking voltage is to use an integrating AD converter as the first evaluation means.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Ermittlung der Drehzahl eines kontinuierlich betriebenen Gleichstrommotors mit der vorliegenden Erfindung möglich. Dazu muss eine Möglichkeit vorgesehen sein, den Motor kurzzeitig von der Versorgungsspannung abzuklemmen. Während dieser kurzzeitigen Unterbrechung der Spannungsversorgung kann eine Erfassung der Nachlaufspannung gemäß der vorstehenden Erfindung erfolgen, aus der wiederum auf die Drehzahl geschlossen werden kann.In a further embodiment, the determination of the rotational speed of a continuously operated DC motor is possible with the present invention. For this purpose, a possibility must be provided to temporarily disconnect the motor from the supply voltage. During this brief interruption of the power supply, a detection of the tracking voltage can be carried out according to the above invention, from which in turn can be closed to the speed.
Durch die vorliegende Erfindung ist es möglich, die Grenzfrequenz des Tiefpasses 300 zu verkleinern, da die Ladung des Kondensators als Maß für die Nachlaufspannung verwendet werden kann. Durch die Verringerung der Grenzfrequenz des Tiefpasses erhöht sich gleichzeitig die Qualität des Messsignals, da höherfrequente Störungen im Nachlauf des Motors effektiver ausgeblendet werden können.By the present invention, it is possible to reduce the cutoff frequency of the low-
In einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß
Die durch den Delta-Sigma-Wandler 500 erzeugten Mittelwerte stehen unabhängig von betriebssystemspezifischen Tasks zur Verfügung. Dabei sind unter betriebssystemspezifischen Tasks Zeitscheiben zu verstehen, die die Erfassung bzw. Integration/Konvertierung auslösen. Typischerweise werden 1-ms Tasks verwendet, wobei das System die Momentanwerte der Nachlaufspannung in der Pause zwischen 2 Ansteuerungen im 1-ms Zeitraster erhält. Üblicherweise werden ca. 2 bis 5 Messpunkte zur Bildung des Mittelwerts verwendet, was eine relativ ungenaue und mit großer Streuung behaftete Messgröße für die Nachlaufspannung erzeugt. Bei der Verwendung eines Delta-Sigma-Wandlers kann die Konvertierungszeit jedoch so eingestellt werden, dass die zur Verfügung stehende Zeit besser ausgenutzt wird. Da der AD-Wandler nicht synchron zu den Tasks ausgelöst werden muss, ist der so erhaltene Wert nicht durch eine Abarbeitungszeit des Ausleseprogramms verzögert.The averages generated by the
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Legal Events
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---|---|---|---|
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R016 | Response to examination communication | ||
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