DE19756957A1 - Procedure for speed control of DC motor, especially one with brushes, like combustion air fan motor e.g for vehicle heating apparatus - Google Patents

Procedure for speed control of DC motor, especially one with brushes, like combustion air fan motor e.g for vehicle heating apparatus

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DE19756957A1 DE1997156957 DE19756957A DE19756957A1 DE 19756957 A1 DE19756957 A1 DE 19756957A1 DE 1997156957 DE1997156957 DE 1997156957 DE 19756957 A DE19756957 A DE 19756957A DE 19756957 A1 DE19756957 A1 DE 19756957A1
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Abstract

The steps involved are: (a) cyclical switching-off of the operating voltage of the running motor with pause duration that does not impair the actual speed and tapping-off of an analogue generator signal corresponding to the EMF in the switch-off pauses; (b) determination of the fundamental harmonic of the generator signal by fast Fourier transformation of this signal; (c) extraction of the speed by dividing the frequency of the fundamental harmonic of the analogue generator signal by a factor corresponding to the pole number of the machine.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors, insbesondere eines Bürsten-Gleichstrommotors, wie etwa eines Brennluftgebläse-Motors für ein Fahrzeugzusatzheizgerät, unter Erfassung und Auswertung eines von der elektromotorischen Kraft des laufenden Gleichstrommotors hervorgerufenen Signals, und unter Nachregelung der Ist-Drehzahl durch Vergleich mit einer Soll-Drehzahl.The invention relates to a method for regulating the speed of a DC motor, in particular a brush DC motor, such as a combustion air fan motor for a vehicle auxiliary heater, under detection and evaluation of one of the electromotive force of the current DC motor-induced signal, and with readjustment of the actual speed by comparison with a target speed.

Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der DE 39 28 114 C2 bekannt, demnach die Drehzahl eines Brennluftgebläse-Motors für ein Fahrzeugheizgerät stabilisiert werden soll, um weitgehend konstante Verbrennungswerte zu erhalten. Zu diesem Zweck wird die elektromotorische Kraft im ansteuerfreien Zustand des Brennluftgebläse-Motors als Ist- Größe ermittelt und auf einen vorgegebenen Sollwert geregelt.Such a method is known for example from DE 39 28 114 C2, accordingly the Speed of a combustion air fan motor for a vehicle heater is to be stabilized, in order to maintain largely constant combustion values. For this purpose the electromotive force in the control-free state of the combustion air fan motor as actual Size determined and regulated to a predetermined setpoint.

Darüber hinaus ist es bekannt, zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors einen Hall- Sensor bzw. optische Sensoren zu verwenden. Außerdem kann eine Drehzahlsteuerung für einen Elektromotor von der anliegenden Versorgungsspannung abgeleitet werden.In addition, it is known to use a Hall effect to control the speed of a DC motor. Sensor or optical sensors to use. In addition, a speed control for an electric motor can be derived from the supply voltage.

Die Ermittlung der Drehzahl eines Gleichstrommotors direkt aus der elektromotorischen Kraft hat den Nachteil, daß diese einen Temperaturgang aufweist, wobei bei schwankender Temperatur auch die geregelte Drehzahl schwankt. Außerdem werden dabei Veränderungen im Magnetkreis nicht kompensiert.Determining the speed of a DC motor directly from the electromotive Force has the disadvantage that it has a temperature response, with fluctuating Temperature also the regulated speed fluctuates. Also be there Changes in the magnetic circuit are not compensated.

Die Verwendung eines Hall-Sensors zur Drehzahlermittlung hat den Nachteil hoher Kosten für Meßwertgeber und -aufnehmer. Dasselbe trifft für die Verwendung optischer Sensoren zur Drehzahlermittlung zu. Die Drehzahlsteuerung basierend auf der Versorgungsspannung hat den Nachteil, daß sie ungenau ist, und das Langzeitverhalten, wie beispielsweise Lagertoleranzen und Temperaturgang nicht berücksichtigt werden können.The use of a Hall sensor for determining the speed has the disadvantage of high costs for sensors and sensors. The same applies to the use of optical sensors to determine speed. The speed control based on the supply voltage  has the disadvantage that it is inaccurate and the long-term behavior, such as Storage tolerances and temperature response cannot be taken into account.

Angesichtes dieses Standes der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors zu schaffen, die temperaturunabhängig und unabhängig von der Alterung des Motors ist und kostengünstig realisiert werden kann.In view of this prior art, the object of the present invention to create a method for speed control of a DC motor, the is temperature independent and independent of the aging of the engine and is inexpensive can be realized.

Gelöst wird diese Aufgabe für ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved for a method according to the preamble of claim 1 by the characterizing features of claim 1. Advantageous further developments of Invention are specified in the subclaims.

Demnach basiert das erfindungsgemäße Verfahren zur Drehzahlregelung auf einer Erfassung der Drehzahl des Gleichstrommotors durch Ermitteln der Grundwelle des auf der elektromotorischen Kraft basierenden analogen Generatorsignals mittel Fast-Fourier- Transformation dieses Signals, wobei die Drehzahl durch Dividieren der Frequenz der Grundwelle durch einen der Pol- und Nutzahl des Gleichstrommotors entsprechenden Faktor gewonnen wird. Diese Art der Drehzahlermittlung erlaubt eine Drehzahlregelung durch Vergleich mit einem Sollwert, die temperaturunabhängig und unabhängig von der Alterung des Gleichstrommotors ist.Accordingly, the method for speed control according to the invention is based on a Detecting the speed of the DC motor by determining the fundamental of the on the Electromotive force-based analog generator signal medium Fast Fourier Transformation of this signal, the speed by dividing the frequency of the Fundamental wave by a corresponding to the pole and number of the DC motor Factor is won. This type of speed determination allows speed control by comparison with a setpoint that is temperature independent and independent of the DC motor aging.

Um das erfindungsgemäße Verfahren zu realisieren, muß lediglich auf vorhandene Komponenten der Anlage zurückgegriffen werden, in welche der Gleichstrommotor integriert ist, und die heutzutage mehr oder weniger komplexe Rechnermittel umfaßt, um die Anlage zu steuern. Zusätzliche Sensoren zur Drehzahlermittlung bzw. zur Drehzahlregelung sind damit nicht notwendig, weshalb des erfindungsgemäße Verfahren extrem kostengünstig ist. Außerdem ist die Genauigkeit der Drehzahlermittlung bzw. Drehzahlregelung ausschließlich von der Rechenleistung des Prozessors des jeweiligen Rechnermittels abhängig.In order to implement the method according to the invention, only existing ones have to be used Components of the system can be used, in which the DC motor is integrated, and which nowadays comprises more or less complex computing means to to control the plant. Additional sensors for speed determination or Speed control is therefore not necessary, which is why the inventive method is extremely inexpensive. In addition, the accuracy of the speed determination or Speed control exclusively from the computing power of the processor of the respective Dependent on the computer.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nunmehr beispielhaft näher erläutert; es zeigen:The invention will now be explained in more detail by way of example with reference to the drawing; show it:

Fig. 1 der zeitliche Verlauf der Generatorspannung eines Bürsten-Gleichstrommotors, und Fig. 1 shows the time course of the generator voltage of a brush DC motor, and

Fig. 2 eine Darstellung der Fourier-Transformierten der Kurve von Fig. 1, wobei auf der X- Achse die Frequenz und auf der Y-Achse die Intensität aufgetragen ist. FIG. 2 shows a representation of the Fourier transform of the curve from FIG. 1, the frequency being plotted on the X axis and the intensity on the Y axis.

Die Erfindung bezieht sich auf die Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors, der beispielsweise als Bürsten-Gleichstrommotor ausgelegt sein kann und sich durch eine vorbestimmte Pol- und Nutzahl auszeichnet.The invention relates to the speed control of a DC motor, the For example, can be designed as a brush DC motor and characterized by a characterized predetermined pole and useful number.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der laufende Gleichstrommotor zyklisch abgeschaltet. Die Dauer der Abschaltung wird so kurz gewählt, daß die Drehzahl sich nicht merklich ändert. In dieser Pausendauer wird das vom Motor zurückkommende Signal der elektromotorischen Kraft einer Fast-Fourier-Transformation unterzogen. Bevorzugt erfolgt die Auswertung über einen A/D- bzw. Analog/Digital-Wandler. Die Abtastrate muß doppelt so hoch sein wie die maximal zu erfassende Frequenz, um dem Abtasttheorem zu entsprechen.According to the method according to the invention, the running DC motor becomes cyclical switched off. The duration of the shutdown is chosen so short that the speed does not change noticeably changes. During this pause period, the signal coming back from the engine electromotive force subjected to a Fast Fourier transformation. Preferably done evaluation via an A / D or analog / digital converter. The sampling rate must be twice as high as the maximum frequency to be acquired in order to satisfy the sampling theorem correspond.

Wie in Fig. 1 gezeigt, ist das der elektromotorischen Kraft entsprechende, mit der Bezugsziffer 1 bezeichnete Signal, das vorliegend auch als Generatorsignal bezeichnet ist, prinzipiell eine pulsierende Gleichspannung bzw. ein pulsierender Gleichstrom. Die den Gleichstromanteil überlagernden Schwingungen stammen von den Umkomodierungsvorgängen des Gleichstrommotors im generatorischen bzw. angetriebenen Betrieb. Diese Impulse treten stets als ganzzahliges Vielfaches der Motordrehzahl auf. Der entsprechende Multiplikator ergibt sich aus der Pol- und Nutzahl des Gleichstrommotors, die bauartbedingt konstant sind. Mit anderen Worten besteht eine direkte Proportionalität zwischen der Drehzahl des Gleichstrommotors und der Frequenz der Grundwelle im vorliegenden analogen Generatorsignal.As shown in FIG. 1, the signal corresponding to the electromotive force and designated by the reference number 1 , which is also referred to here as a generator signal, is in principle a pulsating direct voltage or a pulsating direct current. The vibrations superimposed on the DC component originate from the recoding processes of the DC motor in generator or driven operation. These impulses always occur as an integral multiple of the engine speed. The corresponding multiplier results from the number of poles and useful number of the DC motor, which are constant due to the design. In other words, there is a direct proportionality between the speed of the DC motor and the frequency of the fundamental in the present analog generator signal.

Das mit der Bezugsziffer 2 bezeichnete Signal betrifft das Signal des gleichen Motors bei geringerer Drehzahl. Aufgrund der geringeren Drehzahl ist der Gleichspannungsanteil sowie auch die Frequenz der überlagerten Schwingung geringer.The signal designated by reference number 2 relates to the signal of the same motor at a lower speed. Due to the lower speed, the DC voltage component and the frequency of the superimposed vibration are lower.

Das im A/D-Wandler digitalisierte Signal wird in einem Mikroprozessor einer Fast- Fourier-Transformation unterzogen. Als Ergebnis dieser mathematischen Umformung wird das Frequenzspektrum des Signals erhalten, wie in Fig. 2 gezeigt. Die darin vorhandene Grundwelle kann über eine einfache Division durch vorstehend genannten Multiplikator in die aktuelle bzw. Ist-Drehzahl des Gleichstrommotors überführt werden. Der Gleichstromanteil des analogen Generatorsignals ist ein Maß für die elektromotorische Kraft und wird für das erfindungsgemäße Verfahren, wie nachfolgend ausgeführt, genutzt.The signal digitized in the A / D converter is subjected to a Fast Fourier transformation in a microprocessor. As a result of this mathematical transformation, the frequency spectrum of the signal is obtained, as shown in FIG. 2. The fundamental wave contained therein can be converted into the current or actual speed of the DC motor by simple division by the aforementioned multiplier. The direct current component of the analog generator signal is a measure of the electromotive force and is used for the method according to the invention, as explained below.

Mit der Grundwelle des analogen Generatorsignals als Ist-Größe kann ein Regelkreis zur Konstanthaltung der Drehzahl des Gleichstrommotors aufgebaut werden.With the fundamental wave of the analog generator signal as an actual variable, a control loop can be used Keeping the speed of the DC motor constant.

Mit der erfindungsgemäß gewonnenen Information lassen sich auch andere Stellgrößen in dem Gesamtsystem bzw. der Anlage führen, in welche der Gleichstrommotor integriert ist, wie etwa ein Fahrzeugzusatzheizgerät. Im zuletzt genannten Fall kann beispielsweise die Brennstoffmenge nachgefüllt werden, um die Verbrennungswerte konstant zu halten.With the information obtained according to the invention, other manipulated variables can also be the entire system or system in which the DC motor is integrated, such as an auxiliary vehicle heater. In the latter case, for example Amount of fuel to keep the combustion values constant.

Zur Verbesserung der Meßgenauigkeit bzw. Erfassungsgenauigkeit und zur Erhöhung des Störgeräuschabstands kann ein hardwareseitiges bzw. softwareseitiges Herausfiltern des Gleichspannungsanteils des analogen Generatorsignals vorgesehen sein.To improve the measuring accuracy or detection accuracy and to increase the Noise-to-noise ratio can be filtered out by hardware or software DC voltage component of the analog generator signal can be provided.

Alternativ kann der ermittelte Gleichspannungsanteil im analogen Generatorsignal für die nachfolgende Auswertung verwendet werden. Der Gleichspannungsanteil, der auch als Ergebnis der Fast-Fourier-Transformation vorliegt, wird z. B. über einen D/A-Port des zur Auswertung verwendeten Prozessors ausgegeben und über einen einfachen Analogrechner vom analogen Gesamtsignal subtrahiert. Das übriggebliebene Signal wird noch soweit verstärkt, daß die volle Auflösung des A/D-Wandlers genutzt werden kann.Alternatively, the determined DC voltage component in the analog generator signal for the subsequent evaluation can be used. The DC voltage component, which is also called Result of the Fast Fourier transformation is present, for. B. via a D / A port of the Evaluation used processor output and a simple analog computer subtracted from the total analog signal. The remaining signal is still going so far reinforced that the full resolution of the A / D converter can be used.

Die erfindungsgemäß eingesetzte Fast-Fourier-Transformation benötigt eine relativ große Rechenleistung. Um die Anforderungen an die benötigte Rechnerkapazität der Anlage, in welcher der Gleichstrommotor integriert ist, nicht über Gebühr zu erhöhen, ist vorteilhafterweise ein zyklischer Abgleich der ermittelten Drehzahl über die Fast-Fourier- Transformation mit der Drehzahl vorgesehen, die über die elektromotorische Kraft in herkömmlicher Weise ermittelt wird. Damit ist die rechenintensive Fast-Fourier- Transformation nur in einem relativ groben Zeitrastermuster mit nahezu gleichbleibendem Vorteil wie bei einer durchgehenden Fast-Fourier-Transformation erforderlich.The Fast Fourier transform used according to the invention requires a relatively large one Computing power. To meet the requirements for the required computing capacity of the system, in which the DC motor is integrated cannot be increased unduly advantageously a cyclical comparison of the determined speed via the Fast Fourier Transformation provided with the speed, which is based on the electromotive force is determined in a conventional manner. The computationally intensive Fast Fourier Transformation only in a relatively coarse time grid pattern with almost the same Advantage as required for a continuous Fast Fourier transformation.

Alternativ bzw. ergänzend hierzu erfolgt zur Reduktion der Rechnerbelastung eine mathematische Nachbehandlung der Fast-Fourier-Transformationsergebnisse, indem diese nur an vorbestimmten Stützstellen ausgeführt wird. Diese Stützstellen müssen nicht unbedingt mit der exakten Grundfrequenz übereinstimmen; vielmehr reicht es aus, daß sie in unmittelbarer Nähe derselben angeordnet sind. Um das exakte Maximum bzw. Minimum zu ermitteln stehen drei an sich bekannte Verfahren zur Verfügung. Zum einen kann die Abtastzeit über mehrere Auswertungen hinweg leicht variiert werden. Zum zweiten kann die Abtastdauer bei gleicher Abtastrate variiert werden, und zum dritten ist eine mathematische Interpolation von zwei benachbarten Maxima bzw. Minima im Frequenzspektrum möglich.As an alternative or in addition to this, there is a to reduce the computer load Mathematical post-treatment of the Fast Fourier transform results by this  is only carried out at predetermined support points. These support points do not have to necessarily match the exact fundamental frequency; rather it is sufficient that they are arranged in the immediate vicinity of the same. To the exact maximum or There are three known methods available to determine the minimum. On the one hand the sampling time can be easily varied over several evaluations. To the second, the sampling time can be varied at the same sampling rate, and third is a mathematical interpolation of two adjacent maxima or minima in Frequency spectrum possible.

Claims (7)

1. Verfahren zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors, insbesondere eines Bürsten-Gleichstrommotors, wie etwa eines Brennluftgebläse-Motors für ein Fahrzeugzusatzheizgerät, unter Erfassung und Auswertung eines von der elektromotorischen Kraft (EMK) des laufenden Gleichstrommotors hervorgerufenen Signals, und unter Nachregelung der Ist-Drehzahl durch Vergleich mit einer Soll-Drehzahl, gekennzeichnet durch die Schritte:
  • a) Zyklisches Abschalten der Betriebsspannung des laufenden Motors mit einer für die aktuelle Motordrehzahl zumindest im wesentlichen unschädlichen Pausendauer und Abgreifen eines der EMK entsprechenden analogen Generatorsignals in den Abschaltpausen,
  • b) Ermitteln der Grundwelle des analogen Generatorsignals mittels Fast- Fourier-Transformation dieses Signals, und
  • c) Gewinnen der Drehzahl durch Dividieren der Frequenz der Grundwelle des analogen Generatorsignals durch einen der Pol- und Nutzahl des Gleichstrommotors entsprechenden Faktor.
1. Method for controlling the speed of a direct current motor, in particular a brushed direct current motor, such as a combustion air blower motor for a vehicle auxiliary heater, by detecting and evaluating a signal caused by the electromotive force (EMF) of the running direct current motor, and by adjusting the actual speed by Comparison with a target speed, characterized by the steps:
  • a) cyclical switching off of the operating voltage of the running motor with a pause duration which is at least essentially harmless for the current motor speed and tapping off an analog generator signal corresponding to the EMF in the switch-off pauses,
  • b) determining the fundamental wave of the analog generator signal by means of a Fast Fourier transform of this signal, and
  • c) Obtaining the speed by dividing the frequency of the fundamental wave of the analog generator signal by a factor corresponding to the number of poles and the number of uses of the direct current motor.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundwellenermittlung im Schnitt b) der Schritt vorgeschaltet ist,
  • d) das von der elektromotorischen Kraft des laufenden Gleichstrommotors in den Abschaltpausen hervorgerufene analoge Generatorsignal in ein digitales Signal zu wandeln, das daraufhin der Fast-Fourier-Transformation unterworfen wird.
2. The method according to claim 1, characterized in that the fundamental wave determination in section b) is preceded by the step,
  • d) convert the analog generator signal caused by the electromotive force of the running DC motor in the switch-off pauses into a digital signal, which is then subjected to the Fast Fourier transformation.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstromanteil vom analogen Generatorsignal vor der Fast-Fourier- Transformation abgetrennt wird. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the DC component of the analog generator signal before the Fast Fourier Transformation is separated.   4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtrennung des Gleichstromanteils durch hardwareseitiges bzw. softwareseitiges Filtern erfolgt.4. The method according to claim 3, characterized in that the separation of the DC component through hardware or software filtering. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstromanteil in einer Analogrechnerstufe vom pulsierenden Signalanteil des analogen Generatorsignals subtrahiert und das resultierende Signal zur Nutzung der Auflösung eines Wandlers zur A/D-Wandlung dieses Signals verstärkt wird.5. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the DC component in an analog computer stage from the pulsating signal component of the analog generator signal subtracted and the resulting signal for use the resolution of a converter for A / D conversion of this signal is amplified. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fast-Fourier-Transformation lediglich an vorbestimmten Stützpunkten des analogen Generatorsignals durchgeführt wird.6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the Fast Fourier transformation only at predetermined points of the analog generator signal is performed. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fast-Fourier-Transformation in einem Zeitraster durchgeführt wird, das mit der vorhandenen Rechnerkapazität einer Anlage verträglich ist, in welche der Gleichstrommotor mit seiner Drehzahlauswertungseinrichtung integriert ist.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the Fast Fourier transformation is performed in a time grid that corresponds to the existing computer capacity of a system is compatible, in which the DC motor is integrated with its speed evaluation device.
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