DE19915877A1

DE19915877A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Drehzahl eines Gleichstrom-Kommutatormotors

Info

Publication number: DE19915877A1
Application number: DE1999115877
Authority: DE
Inventors: Norbert Paul Oechsner; Wolfgang Bass
Original assignee: HKR Climatec GmbH
Current assignee: HKR Climatec GmbH
Priority date: 1999-04-08
Filing date: 1999-04-08
Publication date: 2000-11-23
Anticipated expiration: 2019-04-09
Also published as: EP1043589A1; EP1043589B1; DE19915877B4

Abstract

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Drehzahl eines Gleichstrom-Kommutatormotors 1, bei dem die Schwankungen im Motorstrom ausgewertet werden, wobei durch Filtern ein elektrisches Schwankungssignal, insbesondere Stromschwankungssignal 12 gebildet wird, das phasenmäßig erfaßt wird und mit Zeitvorgaben einer Zeitsteuerungseinrichtung 7 verglichen wird, wobei die Zeitvorgaben der Zeitsteuereinrichtung 7 phasengenau zum Schwankungssignal synchronisiert werden und aus den synchronisierten Zeitvorgaben die Drehzahl bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nachdem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 13 zur Messung der Drehzahl eines Gleichstrom-Kommutatormotors, wobei vom Motor verursachte elektrische Signalschwankungen ausgewertet werden.

Stand der Technik

In herkömmlicher Weise werden für die Drehzahlerfassung bei Gleichstrommotoren zusätzliche Geber am Motor eingesetzt. Dies bedeutet mechanischen Aufwand, zusätzliche Leitungen und einen größeren Raumbedarf. Bekannt ist ferner, die Schwankun gen im Motorstrom auszuwerten (DE 16 73 364). Dabei werden die durch den Stromwechsel von einer Kollektorlamelle zur nächsten Lamelle verursachten Stromschwankungen, gegebenen falls nach Verstärkung, einer Impulsformerstufe zugeführt, an deren Ausgang ein Meßgerät zur Anzeige der Drehzahl ange schlossen ist. Aus der DD 254 254 A1 ist ein Verfahren be kannt, bei dem die Drehzahl durch spannungsgesteuerte Filter ausgewertet wird. Bei den bekannten Verfahren und Vorrichtun gen ist es erforderlich, die Komponenten der Drehzahlmeßein richtung an die jeweiligen Motore, an denen die Drehzahlmes sung durchzuführen ist, anzupassen, um Toleranzunterschiede auszugleichen. Ferner ergeben sich nach längerer Betriebsdau er Änderungen am Motor, beispielsweise in den Lagern, und andere verschleißbedingte Änderungen, welche die Drehzahlmes sung beeinflussen.

Aus der DE 197 29 238 C1 ist es bekannt, zur Ermittlung der Drehzahl eines Gleichstrommotors, parallel zur Erfassung der Welligkeit (Ripple) des Motorstroms, aus einem Motorzustands modell, dem die elektromechanischen Motorgleichungen zugrunde liegen, aus Motorstrom und Motorspannung einen zulässigen Soll-Zeitbereich zu bestimmen und die Zeitpunkte der Kommu tierung nur dann bei der Auswertung zu berücksichtigen, wenn diese in diesem Soll-Zeitbereich liegen und falls innerhalb dieses Soll-Zeitbereichs keine Welligkeit einer Kommutierung zugeordnet werden kann, einen wahrscheinlichen Kommutierungs zeitpunkt aus dem Motorzustandsmodel zu extrapolieren.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrich tung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche bei beliebigen Typen von Gleichstrom-Kommutatormotoren einsetzbar ist und über eine lange Betriebsdauer hin eine genaue Dreh zahlbestimmung gewährleisten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß beim Verfahren durch die Merkmale des Patentanspruches 1 und bei der Vorrichtung durch die Merkmale des Patentanspruches 13 gelöst. In den Unteran sprüchen sind Weiterbildungen der Erfindung angegeben.

In bevorzugter Weise werden vor der Auswertung aus dem vom Motor abgeleiteten Eingangsschwankungssignal z. B. des Motor stroms oder der am Motor abgenommenen Spannung hochfrequente Anteile und gegebenenfalls Gleichstromanteile entfernt.

Ferner können die Amplituden des elektrischen Schwankungs signals, insbesondere des Stromschwankungssignals auf ein konstantes Maximum geregelt und die Phasenlagen des so gere gelten Signals in aufeinanderfolgenden Zeitvorgaben erfaßt werden. In Abhängigkeit von dieser Phasenerfassung werden die von einem Oszillator bestimmten Zeitvorgaben phasengenau synchronisiert, wobei aus der Frequenz der synchronisierten Zeitvorgaben die Drehzahl bestimmt wird. Hierzu werden wäh rend der Zeitvorgaben immer bestimmte Bereiche des elektri schen Schwankungssignals, z. B. Maximum, bestimmter Bereich der Anstiegsflanke oder der Abstiegsflanke und in bevorzugter Weise der jeweilige Nulldurchgang des Signals phasenmäßig erfaßt. Es können während einer Ankerumdrehung sich ergebende Signale, insbesondere ein aus den Kommutatorwechseln sich ergebendes Signal phasenmäßig, insbesondere im Hinblick auf die Nulldurchgänge, d. h. die Kommutatorwechsel phasenmäßig erfaßt werden und für die Synchronisation der Zeitvorgaben und insbesondere der die Zeitvorgaben bestimmenden Frequenz des Oszillators ausgenützt werden. Die Synchronisation kann durch Auswertung der jeweiligen Kommutatorwechsel oder auch nach der Umfangsfrequenz, die sich aus der Motordrehung ergibt, durchgeführt werden.

Die Zeitpunkte bzw. Zeitvorgaben, zu denen die Phasenerfas sung erfolgt, kann in Abhängigkeit von aus der Motorspannung und dem Motorstrom gewonnenen Motorsignalen, z. B. insbeson dere der Motor-EMK, grob bzw. ungefähr (ca. 15% Drehzahlab weichung) bestimmt werden. Durch die Erfindung ist somit gewährleistet, daß die Frequenz der Zeitvorgaben auf Schwan kungen des Motorstroms und/oder der am Motor abgenommenen Spannung synchronisiert ist. Die Genauigkeit der hieraus abgeleiteten Drehzahlbestimmung wird daher von Toleranzen im Motoraufbau, insbesonder im mechanischen Aufbau und durch Änderungen, die sich in diesem Aufbau ergeben, wenig beein flußt.

Aus der Phasenerfassung bei der Auswertung der Amplituden des elektrischen Schwankungssignals, insbesondere Stromschwan kungssignals kann ferner eine Motordiagnose abgeleitet wer den. Wenn ein klares Erkennen der Kommutatorwechsel nicht mehr ohne weiteres möglich ist, ist dies beispielsweise ein Anzeichen für Verschleiß mechanischer Konstruktionselemente des Motors oder eine Verunreinigung der Kommutatorzwischen räume. Für die Drehzahlermittlung werden in diesem Fall in bevorzugter Weise die der Umfangsfrequenz proportionalen Signale zur Synchronisation der Zeitvorgaben und damit der Ableitung der Drehzahl verwendet.

Beispiele

Anhand der Figuren wird an einem Ausführungsbeispiel die Erfindung noch näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung; und

Fig. 2 Darstellungen zur Erläuterung des Betriebs des Ausführungsbeispiels.

Im Ausführungsbeispiel wird ein Gleichstrom-Kommutatormotor 1 durch eine Spannungsquelle 2 (Gleichspannungsquelle) ge speist. Der Motorstrom kann z. B. durch einen Shunt 3 oder auch über eine Impedanz, wie es z. B. aus der DE-OS 23 10 739 bekannt ist, erfaßt werden. Ferner kann an einer Eingangs klemme des Motors, wie es strichliert dargestellt ist und aus der DE 32 34 683 A1 bekannt ist, eine Spannung, welche durch die Kommentierung entstandene Spitzen enthält, abgenommen werden. Das erfaßte Signal enthält die Ungenauigkeiten und Unregelmäßigkeiten, welche durch die Motoreigenschaften bedingt sind. Dieses Signal wird als Eingangssignal für die Drehzahlbestimmung verwendet. Das Eingangssignal kann vor der Auswertung in einer ein Bandpaßfilter und/oder Kondensator aufweisenden Aufbereitungsschaltung 4 gegebenenfalls von höherfrequenten Störungen und vom Gleichstromanteil befreit werden. In einem Verstärker 5 kann das aufbereitete Signal, insbesondere Stromschwankungssignal verstärkt und die Ampli tude auf ein konstantes Maximum geregelt. Der Verstärkeraus gang liefert ein entsprechendes elektrisches Schwankungs signal, insbesondere Stromschwankungssignal 12. Dieses aufbereitete und gegebenenfalls von Störungen und dem Gleich stromanteil befreite elektrische Schwankungssignal 12 (Fig. 2) wird mit bestimmten Zeitvorgaben über einen von einer Zeitsteuereinrichtung 7 gesteuerten Schalter 6 an eine Aus werteeinrichtung weitergeleitet, welche beim Ausführungsbei spiel der Fig. 1 eine Phasenanalyse durchführt, wie im einzel nen noch erläutert wird.

Die Zeitvorgaben bzw. Zeitpunkte, in denen die Zeitsteuerein richtung 7 den Schalter 6 zum Abtasten des Schwankungssigna les für die Phasenanalyse ansteuert, werden grob aus der abgenommenen Motorspannung und dem erfaßten Motorstrom in einer Vorgabeschaltung 10 vorgegeben. Durch die Vorgabeschal tung 10 kann auch die Anstiegsgeschwindigkeit des Verstärkers 5 begrenzt werden, um eine frequenzproportionale Ausstiegsge schwindigkeit des Schwankungssignals 12 zu erhalten. Hier durch wird eine lineare Phasenmessung beim Auswerten der Amplituden insbesondere des Stromschwankungssignals möglich. Dieses Signal wird zu den vorgegebenen Zeitpunkten (Zeitvorgaben) bevorzugt im Hinblick auf die aus den Kommuta torwechseln resultierenden Schwankungen ausgewertet. Hierzu wird der Schalter 6 von der Zeitsteuereinrichtung 7 entspre chend angesteuert. Die Zeitsteuereinrichtung 7 enthält einen Oszillator 15, dessen Frequenz von Motorsignalen, wie Motor strom, Motorspannung oder Motor-EMK grob vorbestimmt wird. Diese Frequenz entspricht mit Abweichung von ca. 15% der Motordrehzahl. Ferner beinhaltet die Zeitsteuereinrichtung 7 eine Ausgangsstufe 11, welche in Abhängigkeit von der Oszil latorfrequenz zu den bestimmten Zeitpunkten (Zeitvorgaben) Impulse (Zeitablauf in der Fig. 2) liefert.

Dieser Zeitablauf wird phasenmäßig in Bezug gesetzt zum Schwankungssignal, welches die Kollektorfreguenz und/oder die Umfangsfrequenz des Motors enthalten kann.

Aus der Auswertung ergibt sich ein Stellsignal, welches zur Regelung der Zeitvorgaben, mit welcher die Zeitsteuereinrich tung 7 den Schalter 6 ansteuert, dient. Die Auswerteeinrich tung des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 bildet einen Regel kreis, durch welchen die Ablaufzeit bzw. die Zeitvorgaben der Zeitsteuerschaltung 7 auf das elektrische Schwankungssignal 12 phasengenau synchronisiert wird. Diese angepaßte bzw. synchronisierte Frequenz ist das Maß für die Bestimmung der Drehzahl des Motors 1.

In der Fig. 2 ist eine Darstellung des elektrischen Schwan kungssignals gezeigt. Dieses kann die Kollektorfrequenz und/oder die Umfangsfrequenz des Motors enthalten. Jenachdem, welche dieser beiden Frequenzen bei der Phasenanalyse zugrun degelegt werden, ergibt sich ein entsprechendes Stellsignal ΔT, welches stellvertretend für ein Stellsignal ΔT1 bei der Kollektorfrequenz und/oder ΔT2 bei der Umfangsfrequenz ist.

Beim in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt in einer Auswerteeinrichtung, welche eine Phasenanalyseein richtung 8 für die Auswertung des auf der Kollektorfrequenz basierenden Schwankungssignals und eine Phasenanalyseeinrich tung 9 für die Auswertung des auf der Umfangsfrequenz beru henden Schwankungssignals aufweist, ein Vergleich der Phasen lage des Schwankungssignals 12 mit den Zeitpunkten (Zeitvorgaben) des Zeitablaufs der Zeitsteuerschaltung 7 (Fig. 2). Das Schwankungssignal beinhaltet die Kollektorfre quenz und/oder die Umfangsfrequenz des Motors und der Kurven verlauf dieses Signals ergibt sich aus den Kommutatorwechseln des Gleichstrommotors 1. In bevorzugter Weise werden die Nulldurchgänge dieses Signals mit den Zeitpunkten der Zeit vorgaben verglichen. Wenn eine Phasendifferenz zwischen einem erfaßten Nulldurchgang und einem entsprechenden Impuls der Zeitvorgabe vorhanden ist, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, erzeugt die Auswerteeinrichtung (Phasenanalyseeinrichtung 8 und/oder Phasenanalyseeinrichtung 9) aufgrund dieses Ver gleichs das Stellsignal ΔT, welches die Frequenz der Zeitvor gaben entsprechend ändert, wie es in der Fig. 2 dargestellt ist. Diese Regelung der Frequenz der von der Zeitsteuerein richtung 7 gelieferten Impulse wird phasengenau mit den Nulldurchgängen des Schwankungsmeßsignals, welches die Kol lektorfrequenz und/oder die Umfangsfrequenz wiedergibt, synchronisiert. Bei Elektromotoren, die wenig Verschleißer scheinungen aufweisen, kann das auf der Kollektorfrequenz beruhende Schwankungssignal bei der Phasenanalyse in der Phasenanalyseeinrichtung 8 ausgewertet werden. Für die Syn chronisation der Zeitvorgaben, bzw. des Zeitablaufs der Zeitsteuereinrichtung 7 wird über eine Leitung 13 das Stell signal ΔT1 geliefert. Dieses beeinflußt in bevorzugter Weise die Frequenz des Oszillators 15, wodurch dann eine zeitliche bzw. phasenmäßige Verschiebung der nachfolgenden Impulse des Zeitverlaufs d. h. der Zeitvorgaben bewirkt wird, wie es in der Fig. 2 dargestellt ist.

Wenn bei Elektromotoren, die schon länger in Betrieb sind, aufgrund von Verschleißerscheinungen an den Kollektoren und/oder Bürsten, eine exakte Positionsbestimmung bzw. Pha senbestimmung der Nulldurchgänge, d. h. der Kommutatorwechsel nicht mehr möglich ist, können in der zweiten Phasenanalyse einrichtung 9, die auf den Ankerumfang bezogenen Schwankungen als Integral pro Motorumdrehung, z. B. die Summe der Kommuta torwechsel pro Motorumdrehung, erfaßt werden. Wenn bei der Erfassung der Umfangsfrequenz eine Phasendifferenz zu den entsprechenden Zeitvorgaben bzw. der Ablaufzeit der Zeitsteu ereinrichtung 7 sich ergibt, wird das Stellsignal ΔT2 er zeugt, mit welchem die Frequenz der Zeitvorgaben so geregelt wird, daß eine phasengenaue Synchronisation zur Umlauffre quenz hergestellt wird. Die Auswertung mittels der zweiten Phasenanalyseeinrichtung 9 (Auswertung der Umfangsfrequenz) kann auch jederzeit anstelle oder zusammen mit der Auswertung der Kollektorfrequenz in der ersten Phasenanalyseeinrichtung 8 erfolgen.

Die dabei synchronisierte Frequenz ist ein Maß für die tat sächliche Drehzahl des Geleichstrommotors 1.

Ferner kann aus den Stellsignalen ΔT1 und WT2 eine Aussage über den Verschleiß von mechanischen Bauteilen des Gleich strommotors gewonnen werden. Die bei der Auswertung des Schwankungssignals 12 gewonnenen Stellsignale ΔT1 und ΔT2 beinhalten eine Aussage über die Güte des Gleichstrommotors, insbesondere im Bereich seines Kollektors. Dies kann man zur Diagnose der Motorqualität verwenden.

Die Meßvorrichtung kann in Hardware oder durch Software verwirklicht werden.

Die gemessene Drehzahl kann für die verschiedensten Zwecke verwendet werden, beispielsweise als Ist-Wert bei der Motor steuerung, insbesondere im Zusammenhang mit dem Vermeiden von unerwünschten Motordrehzahlen, die sich dann ergeben können, wenn der Motor ein schwingungsfähiges System beeinflußt. Aufgrund der exakt ermittelten Drehzahl können unerwünschte Resonanzen, die sich bei bestimmten Drehzahlen einstellen, im schwingungsfähigen System vermieden werden. Erreicht wird dies durch eine entsprechende, die Resonanzdrehzahlen aus blendende Motorsteuerung oder -regelung in Abhängigkeit von den ermittelten Motordrehzahlen.

Bezugszeichenliste

1

Gleichstrom-Kommutatormotor

2

Gleichspannungsquelle

3

Shunt

4

Bandpaßfilter

5

Verstärker

6

Schalter

7

Zeitsteuereinrichtung

8

erste Phasenanalyseeinrichtung

9

zweite Phasenanalyseeinrichtung

10

Vorgabeschalung

11

Ausgangsstufe

12

Elektrisches Schwankungssignal

13

Leitung für Stellsignal ΔT1

14

Leitung für Stellsingal ΔT2

15

Oszillator

Claims

1. Verfahren zur Messung der Drehzahl eines Gleichstrom- Kommutatormotors, bei dem vom Motor verursachte elektri sche Signalschwankungen in bestimmten Zeitvorgaben für eine Drehzahlbestimmung ausgewertet werden, dadurch ge kennzeichnet, daß die von einem Oszillator bestimmten Zeitvorgaben mit einem die Kollektorfrequenz und/oder die Umfangsfrequenz des Motors aufweisenden elektrischen Schwankungssignal phasenmäßig synchronisiert wird und die synchronisierte Frequenz der Zeitvorgaben für die Dreh zahlbestimmung verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Phasenunterschied zwischen den vom Oszillator be stimmten Zeitvorgaben und dem elektrischen Schwankungs signal ein Stellsignal zur Phasenregelung des Oszillators gebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitvorgaben mit den aus dem elektrischen Schwan kungssignal sich ergebenden Kommutatorwechseln synchro nisiert werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ankerumfang phasenmäßig erfaßt wird und die Zeitvorgaben nach der Umfangsfrequenz der Motordrehung synchronisiert werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ankerumfang als Summe der Kommutatorwechsel erfaßt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Oszillator bestimmten Zeit vorgaben durch ein oder mehrere Motorsignale, insbesonde re der Motor-EMK und/oder Motorparameter, insbesondere Kollektorlamellenzahl und/oder Polpaarzahl des Motors be stimmt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplituden des elektrischen Schwankungssignals auf ein konstantes Maximum geregelt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anstiegsgeschwindigkeit der Amplitude des elek trischen Schwankungssignals bei der Verstärkung des Si gnals begrenzt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch ge kennzeichnet, daß die Oszillatorfrequenz mit dem Schwan kungssignal phasenmäßig synchronisiert wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrisches Schwankungssignal ein vom Motorstrom abgeleitetes Stromschwankungssignal verwendet wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellsignal und/oder das bei der Phasenerfassung des elektrischen Schwankungssignals ge wonnene Signal für eine Motordiagnose verwendet wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von der ermittelten Drehzahl der Gleichstrommotor so gesteuert wird, daß be stimmte Drehzahlen, insbesondere Resonanzdrehzahlen eines vom Motor beeinflußten Systems ausgeblendet werden.

13. Vorrichtung zum Messen der Drehzahl eines Gleichstrom- Kommutatormotors, mit einer Aufbereitungseinrichtung zur Bildung eines elektrischen Schwankungssignals aus vom Mo tor verursachten elektrischen Signalschwankungen, einer Zeitsteuereinrichtung, welche in Abhängigkeit von Motor parametern und/oder Motorsignalen Zeitvorgaben für einen Vergleich mit dem elektrischen Schwankungssignal liefert, und einer Auswerteeinrichtung, welche aus dem elektri schen Schwankungssignal und den Zeitvorgaben die Drehzahl des Motors ermittelt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Phasenregelkreis (8, 9, 13, 14, 7, 6) die Phasenlage des Schwankungssignals (12) erfaßt und die Zeitvorgaben der Zeitsteuereinrichtung (7) phasengenau mit dem Schwan kungssignal synchronisiert, wobei aus der Frequenz der synchronisierten Zeitvorgaben ein drehzahlproportionales Signal gebildet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein vom Regelkreis (8, 9, 13, 14, 7, 6) für die Synchro nisation der Zeitvorgaben der Zeitsteuereinrichtung (7) geliefertes Stellsignal aus einer bei der Phasenerfassung ermittelten Phasendifferenz gebildet ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekenn zeichnet, daß das Stellsignal aus der Differenz der bei den Integrale der während zweier aufeinander folgender Motorumdrehungen ermittelten Phasendifferenzen gebildet ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Kommutatorwechseln und den Zeitpunkten der von der Zeitsteuereinrichtung (7) gelie ferten Zeitvorgaben das Stellsignal des Regelkreises (8, 9, 13, 14, 7, 6) gebildet ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein Oszillator (15) welcher die Zeit vorgaben der Zeitsteuereinrichtung (7) bestimmt durch das Stellsignal des Regelkreises (8, 9, 13, 14, 7, 6) gere gelt ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Schwankungssignal ein vom Motorstrom abgeleitetes Stromschwankungssignal ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Schwankungssignal aus einer am Motor abgenommenen elektrischen Spannungsschwan kung gebildet ist.