DE19729238C1 - Verfahren zum Ermitteln der Drehzahl bei mechanisch kommutierten Gleichstrommotoren - Google Patents
Verfahren zum Ermitteln der Drehzahl bei mechanisch kommutierten GleichstrommotorenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln der Drehzahl und/oder
der Wegstrecke bei mechanisch kommutierten Gleichstrommotoren gemäß
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Derartige Verfahren sind bspw. der
EP 0 689 054 A1, EP 0 730 156 A1 sowie der DE 39 35 585 A1 zu entnehmen.
Es ist allgemein bekannt, den Wechselanteil des Stromes, die Welligkeit oder
gemäß dem englischen Begriff Ripple genannt, von Gleichstrommotoren als
Maß für die Drehzahl des Motors zu erfassen, auszuwerten und auszunutzen.
In der DE 35 27 906 A1 wird beispielsweise ein sogenanntes Nulldurchgangs
verfahren beschrieben, bei dem nach Elimination des Gleichanteils die Null
durchgänge des Stromes erfaßt werden.
Bekannt ist außerdem, daß das Verhalten von Gleichstrommotoren mittels
eines elektromechanischen Motorzustandsmodells basierend auf den
Motorengleichungen beschrieben werden kann, wie es in Fig. 4a und 4b
dargestellt ist. Die Motorengleichung Uq(t) = c.Φ.n(t), auch Generator
gleichung genannt, die Motorengleichung Mm(t) = C1.Φ.Ia(t) sowie der
elektrische Zusammenhang
können
ebenfalls der Literatur, bspw. Lindner u. a.: Nachschlagewerk Elektrotechnik -
Elektronik, Leipzig, 2. Aufl. 1983, S. 199 ff. entnommen werden. Die
Bezugszeichen (vgl. Fig. 4a, b und auch die Gleichungen) sind entsprechend
analog gewählt und bedeuten im einzelnen Uq die induzierte Anker
spannung c, c1, c2 die motorspezifischen Größen, auch Motorenkonstanten
genannt, Φ der magnetische Fluß, n die Drehzahl, ML das Lastmoment, Mm
das Motormoment und MB das sich daraus ergebende Beschleunigungs
moment, Ia den Motor- bzw. Ankerstrom, UM die Motorklemmenspannung,
Ra den Ankerwiderstand, Rk den äußeren Klemmenwiderstand, L die Induk
tivität der Motorwicklung und J das Masse-Trägheitsmoment der gesamten
rotierenden Anordnung einschließlich der zu bewegenden Teile, bspw. die
Fenster.
Beim gattungsbildenden Verfahren der EP 0 689 054 A1 wird das generierte
Signal der Stromwelligkeit phasenverschoben und das phasenverschobene
zum nicht phasenverschobenen addiert bzw. subtrahiert, wodurch ein
insbesondere von Doppelkommutierungserscheinungen befreites Signal
gewonnen wird.
Auch das sogenannte ripple-count-Verfahren ist dieser Schrift zu ent
nehmen. Dem Aufsatz "Unkonventionelle Drehzahlmessung und -regelung
bei Gleichstrommotoren" von Birk, Elektronik 25, 14.12.1984, S. 71 f. ist die
inkrementale Bestimmung der Drehzahl aus der Kommutierungswelligkeit
des Ankerstroms ebenfalls zu entnehmen.
Aus den oben genannten Schriften sind auch die grundsätzlichen Probleme
bei der Erkennung und Auswertung der Stromwelligkeit zu entnehmen,
insbesondere die Anfälligkeit gegen Störungen in der Netzspannung und
Doppelkommutierungen. Der schaltungstechnische Aufwand ist bei allen
Kompensationsverfahren erheblich und Störungen letztlich nicht auszu
schließen.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Verfahren gemäß des Oberbegriffs des
Anspruchs 1 derart weiterzuentwickeln, daß der Aufwand der Kompensa
tion reduziert und die Störsicherheit aufrechterhalten beziehungsweise
verbessert werden kann.
Die Aufgabe ist durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs
1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unter
ansprüchen zu entnehmen.
Grundgedanke ist es, mittels des Motorzustandsmodells einen zulässigen
Soll-Zeitbereich zu bestimmen und die Ergebnisse der parallel dazu
erfolgenden Analyse des Zeitverlaufs der Welligkeit des Motorstroms nur
dann in der Auswerteeinheit zu berücksichtigen, wenn diese im Soll-
Zeitbereich liegen. Die neben dem Motorstrom und der Motorspannung für
das Motorzustandsmodell erforderlichen Größen werden entweder fest
vorgegeben oder aber aus dem Verlauf von Motorstrom und Motor
spannung abgeleitet und entsprechend angepaßt. So kann die Motor
impedanz bereits im Anlaufzeitpunkt noch vor dem überwinden der
Haftreibung bestimmt werden, da in diesem Fall die Drehzahl noch Null und
keine induzierte Ankerspannung Uq vorhanden ist. Durch mehrfache
Erfassung von Motorstrom und Motorspannung kann der Wert der Motor
impedanz adaptiv angepaßt und Fehler so weitgehend ausgeschlossen
werden. Außerdem kann die temperatur- und lastabhängige motor
spezifische Größe c nach jedem Kommutierungsvorgang neu bestimmt und
so für die folgende Extrapolation der Einfluß von Temperatur und Last
berücksichtigt werden. Sollte die Arbeitsdauer des Motors relativ kurz sein,
so kann die motorspezifische Größe c auch über die gesamte Arbeitsdauer
auf dem fest vorgegebenen Wert bleiben, da insbesondere die thermische
Beeinflussung demgegenüber sehr viel langsamer und schwächer abläuft.
Die Verfahrensschritte gemäß Patentanspruch 4 zeigen eine besonders
einfache Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei wird jeweils
zunächst der nächste Kommutierungszeitpunkt mittels des Motorzustands
modells extrapoliert, der Soll-Zeitbereich festgelegt und innerhalb diesem
der Zeitverlauf der Stromwelligkeit beobachtet.
Ein Vorteil des erfinderischen Konzepts wird deutlich, wenn aufgrund von
Störungen kein Kommutierungsvorgang erkannt werden kann. Dann steht
der Auswerteeinheit nämlich noch der extrapolierte wahrscheinliche Wert
des nächsten Kommutierungszeitpunktes zur Verfügung.
Nach dem Erkennen eines Kommutierungsvorgangs innerhalb des zulässigen
Soll-Zeitbereichs wird aus diesem neben der aktuellen Drehzahl und
Drehwinkelinkrement auch die motorspezifische Größe erforderlichenfalls
mit dem genauen Wert aktualisiert. Die vorzugebenden Größen, wie die
motorspezifische Größe, die zumindest zum Motorstart vorgegeben, dann
ggfs. adaptiv angepaßt wird, sowie eine Toleranzgröße ΔT zur Bestimmung
des zulässigen Soll-Zeitbereichs um den wahrscheinlichen nächsten
Kommutierungszeitpunkt T(m+1), können ohne besonderen Aufwand bei
der Herstellung der Motorsteuerung mit gespeichert oder für den
jeweiligen Anwendungsfall definiert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ergänzt die bekannten Verfahren zur
Stromwelligkeitsauswertung, erhöht deren Störsicherheit und kommt
insbesondere auch ohne die sonst für die Positionierungsaufgaben oftmals
erforderlichen teuren Hallsensoren aus.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und der
Figuren näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Figuren:
Fig. 1 Schematisches Blockschaltbild einer Anordnung zur Durch
führung des Verfahrens,
Fig. 2 Ablaufdiagramm des Verfahrens,
Fig. 3 Darstellung der verschiedenen möglichen Ereignisse der
Stromripple,
Fig. 4a und b elektrisches und mechanisches Motorzustandsmodell gemäß
dem Stand der Technik.
Fig. 1 zeigt in einem schematischen Blockschaltbild eine Anordnung zur
Durchführung des Verfahrens. Vom Motor M werden die Motorspannung
UM(t) sowie über einen Meßwiderstand der Motorstrom Ia(t) erfaßt. Der
Motorstrom Ia(t) wird einerseits dem sogenannten Ripple Detektor 1, einer
Anordnung zur Erkennung der Kommutierung aus der Welligkeit des
Motorstroms Ia(t), zugeführt, andererseits auch dem Motorzustandsmodell 2,
welches darüber hinaus noch die Motorspannung UM(t) erfaßt. Ripple
Detektor 1 und Motorzustandsmodell 2 sind wechselseitig miteinander
verbunden und tauschen einerseits die extrapolierten, andererseits die aus
dem Motorstrom Ia(t) real detektierten Ergebnisse aus. So gibt das
Motorzustandsmodell 2 dem Ripple Detektor 1 jeweils den Soll-Zeitbereich
T(m+1) ± ΔT für den folgenden Kommutierungsvorgang Tk(m+1) vor. Dabei
wird über die Umdrehungszahl m jeweils eine Umdrehung erfaßt. Falls
dieser Kommutierungsvorgang Tk(m+1) zuverlässig und innerhalb des Soll-
Zeitbereichs T(m+1) ± ΔT erkannt wird, werden entsprechend diesem
Zeitpunkt Tk(m+1) die daraus ableitbare aktuelle Drehzahl n(t) und die
motorspezifische Größe c angepaßt, falls aufgrund von einer Abweichung
erforderlich.
Außerdem sind der Ripple Detektor 1 und das Motorzustandsmodell 2 je
weils mit der Auswerteeinheit 3 verbunden, die die im Motorzustands
modell extrapolierte Drehzahl nM(t) und den Soll-Zeitbereich T(m+1) ± ΔT mit
der aus dem Motorstrom Ia(t) ermittelten Drehzahl n(t) vergleicht und
entsprechend aus der jeweils wahrscheinlicheren Größe die Ausgangswerte
Drehzahl n und Drehwinkel ϕ bereitstellt.
In Fig. 2 ist mittels eines Flußdiagramms der Ablauf des Verfahrens
visualisiert. Mit dem Anschluß an eine Versorgungsspannung wird der Ablauf
automatisch gestartet und geprüft, ob ein Motorstrom vorliegt. Der
Motorstrom dient dabei zunächst zur Erkennung der Aktivierung des
Motors.
Wird der Motor eingeschaltet und fließt somit ein Motorstrom, wird
zunächst der Stromanstieg noch vor dem Überwinden der Haftreibung
gemessen und die Motorimpedanz bestimmt, zumindest aber der ohmsche
Anteil gemäß der Gleichung R = UM/Ia in der Nähe des Umkehrpunktes, da
vor dem Überwinden der Haftreibung ja keine Ankerspannung Uq induziert
wird und der induktive Anteil vernachlässigbar klein gegenüber R ist. Diese
Stromanstiegsauswertung wird in Fig. 2 durch den Block 1 dargestellt.
Mit der Überwindung des Haftreibungsmoments wird durch den sich
nunmehr drehenden Anker eine Spannung induziert, die gemäß der Formel
aus dem Motorstrom Ia(t) und der
Motorspannung UM(t) permanent abgeleitet werden kann und die sich bei
vernachlässigbarer Induktivität L noch weiter vereinfacht. Daraus kann
gemäß Uq(t) ≈ c.nM(t) zunächst die wahrscheinliche Drehzahl nm
abgeschätzt werden. Aus der wahrscheinlichen Drehzahl nM(t) wird dann
der Soll-Zeitbereich T(m+1) ± ΔT der nächsten Kommutierung Tk(m+1)
abgeleitet. Dies erfolgt im Block 2 der Fig. 2. Als motorspezifische Größe c
wird für den ersten Kommutierungsvorgang ein vorgegebener Wert
verwendet, der jedoch nach dem Erkennen der ersten Kommutierung
jeweils konkretisiert wird.
Außerdem wird geprüft, ob ein der Drehzahl n entsprechendes Drehwinkel
inkrement noch auftreten kann oder bereits das Ende des Vorstellweges
überschritten wird. In diesem Fall wird der Motor abgeschaltet.
Im folgenden wird der Motorstrom Ia(t) mittels des Ripple Detektors 1 (vgl.
Fig. 1) überwacht. Die Auswerteeinheit 3 gemäß Fig. 1 beobachtet dabei, ob
der Ripple Detektor 1 bereits außerhalb des Soll-Zeitbereichs T(m+1) ± ΔT
der nächsten Kommutierung Tk(m+1) Stromspitzen detektiert und ignoriert
diese, da sie auf externe Störungen des Motorstroms Ia(t), bspw. durch
Zuschalten anderer Lasten ins Versorgungsnetz, zurückzuführen sind.
Tritt innerhalb des Soll-Zeitbereichs T(m+1) ± ΔT ein detektierbarer Strom
ripple auf, so wird dieser als der nächste Kommutierungsvorgang Tk(m+1)
erkannt. Wie durch den Block 3 in Fig. 2 angedeutet werden soll, wird nun
einerseits zunächst die Drehzahl konkret ermittelt und das Drehwinkel
inkrement zur Positionszählung für diesen Zeitpunkt gesetzt. Außerdem
kann auf Basis des detektierten Kommutierungsvorgangs und der aktuellen
Drehzahl die motorspezifische Größe c neu ermittelt und für die
nachfolgende Berechnung angepaßt werden. Dadurch kann das Verfahren
an sich verändernde Motorbedingungen, sehr unterschiedliche Vorstell
geschwindigkeiten und Laständerungen oder an Erwärmungen während
des Betriebs, angepaßt werden.
Wird jedoch, bspw. aufgrund einer Störung, kein Stromripple detektiert, so
wird statt dessen die wahrscheinliche Drehzahl nM und der daraus
abgeleitete wahrscheinliche Kommutierungszeitpunkt T(m+1) ange
nommen. Drehzahl und Drehinkrement werden entsprechend angepaßt
und beim Auftreten des nächsten detektierbaren Stromripples kon
kretisiert.
Wieder wird aus Strom und Spannung die wahrscheinliche Drehzahl und der
nächste Kommutierungsvorgang abgeleitet und der Vorgang wiederholt, bis
das Ende des Vorstellweges erreicht ist.
Durch das Verfahren kann somit sichergestellt werden, daß die Auswerte
einheit die Position und Drehzahl zuverlässig weitergeben und Doppel
kommutierungen etc. abgrenzen kann.
Fig. 3 stellt nun in Periode P1 dar, wie aus einem sauber detektierbaren
Stromripple der Kommutierungszeitpunkt Tk(m) bestimmt wird. So wird
insbesondere auch der erste Kommutierungszeitpunkt bestimmt, auf Basis
dessen nachfolgend die motorspezifische Größe c aktuell bestimmt und der
nachfolgende wahrscheinliche Kommutierungszeitpunkt T(m+1) extra
poliert wird.
In Periode P2 wird nun der Fall dargestellt, wenn kein bzw. kein sauber
detektierbarer Stromripple (angedeutet durch den punktierten
Funktionsverlauf) innerhalb des Soll-Zeitbereichs T(m+1) ± ΔT erkannt wird.
Dann wird der wahrscheinliche Kommutierungszeitpunkt T(m+1)
verwendet (vgl. Fig. 3: Punktmarkierung auf der Zeitachse gibt den
übernommenen Kommutierungszeitpunkt an).
Tritt, wie in Periode P3 dargestellt, ein Stromripple außerhalb des Soll-
Zeitbereichs T(m+1) ± ΔT auf, so wird dieser ignoriert (es ist kein Punkt auf
der Zeitachse dargestellt).
Ein innerhalb des Soll-Zeitbereichs T(m+2) ± ΔT auftretender Stromripple
wird als nächster Kommutierungszeitpunkt Tk(m+2) auch dann erkannt,
wenn er vom extrapolierten, wahrscheinlichen T(m+2) abweicht, wie in
Periode P4 gezeigt. Es wird der detektierte Kommutierungszeitpunkt Tk
(m+2) für die folgende Extrapolation verwandt.
Claims (5)
1. Verfahren zum Ermitteln der Drehzahl (n) und/oder des Drehwinkels (ϕ)
bei mechanisch kommutierten Gleichstrommotoren aus dem Zeitverlauf
der bei der Kommutierung auftretenden Welligkeit (Ripple) des Motor
stroms (Ia(t)), indem
- a) der Zeitverlauf der Welligkeit des Motorstroms (Ia(t)) erfaßt, die Zeit
punkte der Kommutierung (Tk) bestimmt und daraus in einer Auswerte
einheit (3) die Drehzahl (n) und/oder der Drehwinkel (ϕ) abgeleitet wird,
dadurch gekennzeichnet, daß - b) parallel zur Erfassung der Welligkeit des Motorstroms (Ia(t)) von einem Motorzustandsmodell, dem die elektromechanischen Motoren gleichungen zugrunde liegen, aus dem Motorstrom (Ia(t)) und der Motor spannung (UM(t)) ein zulässiger Soll-Zeitbereich (T(m) ± ΔT) bestimmt wird,
- c) die Zeitpunkte der Kommutierung (Tk(m)), nur dann von der Auswerteeinheit (3) berücksichtigt werden, wenn diese im zulässigen Soll- Zeitbereich (T(m) ± ΔT) liegen und
- d) falls innerhalb des zulässigen Soll-Zeitbereichs (T(m) ± ΔT) keine Welligkeit einer Kommutierung zugeordnet werden kann, die Auswerteeinheit (3) einen wahrscheinlichen Kommutierungszeitpunkt (T(m)) für diesen Soll- Zeitbereich (T(m) ± ΔT) aus dem Motorzustandsmodell extrapoliert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest
der ohmsche Anteil der Motorimpedanz im Anlaufzeitpunkt bestimmt
wird, indem zumindest einmal vor dem Überwinden der Haftreibung der
Motorstrom (Ia) und die Motorspannung (UM) bestimmt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem
Überwinden der Haftreibung Motorstrom und Motorspannung mehr
fach erfaßt werden und aus den Meßwerten von Motorstrom und
Motorspannung vorzugsweise der Wert der Motorimpedanz,
zumindest aber dessen ohmscher Anteil R adaptiv angepaßt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende
Verfahrensschritte:
- a) mit dem Anstieg des Motorstroms bzw. der Motorspannung werden noch vor dem Überwinden der Haftreibung Motorstrom Ia(t) und Motorspannung UM(t) mehrfach erfaßt und die Werte vorzugsweise der Motorimpedanz, zumindest aber dessen ohmscher Anteil R adaptiv angepaßt,
- b) der Motorstrom Ia(t) und die Motorspannung UM(t) werden vorzugsweise kontinuierlich, zumindest aber in der Nähe vom Kommutierungs zeitpunkt, erfaßt,
- c) im Motorzustandsmodell wird gemäß der vereinfachten Motoren
gleichung
die induzierte Anker spannung Uq(t) als zur Drehzahl proportionale Größe bestimmt und gemäß der Gleichung Uq(t) ≈ c.nM(t) die wahrscheinliche Drehzahl nM(t) extrapoliert, wobei c eine motorenspezifische Größe ist, die
c1) aus der bisherig aus den Kommutierungen ermittelten aktuellen Drehzahl n(t) sowie dem Motorstrom Ia(t) und der Motorspannung UM(t) gemäß der Gleichung
angepaßt,
wobei L die Induktivität der Motorwicklung ist,
c2) oder, vorzugsweise nur zum Motorstart, fest vorgegeben wird - d) aus der wahrscheinlichen Drehzahl nM(t) wird der Soll-Zeitbereich T(m+1) ± ΔT der nächsten Kommutierung Tk(m+1) gemäß der Gleichung T(m+1) = Tk(m)+1/nM(t) vorgegeben, wobei ΔT eine vorgegebene Toleranzgröße und T(m+1) der wahrscheinliche nächste Kommu tierungszeitpunkt ist,
- e) im Soll-Zeitbereich T(m+1) ± ΔT wird der Zeitverlauf der Welligkeit des
Motorstroms Ia(t) beobachtet und
e1) entweder wird die in diesem Zeitintervall auftretende Welligkeit als zulässiger Kommutierungsvorgang Tk(m+1) erkannt, daraus die aktuelle Drehzahl n(t) = n(Tk(m+1)) = 1/(Tk(m+1)-Tk(m)) sowie das Inkrement des Drehwinkels ϕ(t) = ϕ(Tk(m+1) = ϕ(Tk(m))+1 = m+1 von der Auswerteeinheit weitergegeben und die motorenspezifische Größe c als c(Tk(m+1)) auf Basis von n(t) gemäß Schritt c1) angepaßt, oder
e2) falls im Soll-Zeitbereich T(m+1) ± ΔT kein zulässiger Kommutierungs vorgang Tk(m+1) erkannt wird, wird die extrapolierte wahrscheinliche Drehzahl nM(T(m+1)) sowie zum wahrscheinlichen Zeitpunkt T(m+1) = 1/nM(T(m+1)) + Tk(m) das Inkrement des Drehwinkels ϕ(t) = ϕ(Tk(m))+1 = m+1 von der Auswerteeinheit (3) weitergegeben sowie - f) alle außerhalb des Soll-Zeitbereichs T(m+1) ± ΔT auftretenden Welligkeit werden ignoriert und die Verfahrensschritte b) bis e) wiederholt.
5. Verwendung der voranstehenden Verfahren zur Positions
ermittlung und -steuerung bei elektromotorisch betriebenen Teilen
durch Inkrementierung der Drehwinkel von einem einer ersten Ruhe
position zugeordneten Nullwert aus, insbesondere auch zur Erkennung
von Einklemmfällen bei gleichzeitig noch nicht erreichter zweiter Ruhe
position.
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