DE19931921A1 - Schaltung und Verfahren zur sensorlosen Drehzahlmessung eines Gleichstrommotors - Google Patents

Schaltung und Verfahren zur sensorlosen Drehzahlmessung eines Gleichstrommotors

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Abstract

Beschrieben wird eine Schaltung und ein Verfahren zur sensorlosen Drehzahlmessung eines Gleichstrommotors, der mittels einer pulsweitenmodulierten Spannung oder einer von einer Spannungsregler erzeugten Spannung angesteuert wird. Das Drehzahlsignal wird aus den durch die Kommutierung entstehenden Spannungsriples generiert. Um ein Abreißen des Motorrstroms und die damit verbundenen Nachteile zu vermeiden, wird während der Meßphase der Motor mit einer Konstantstromquelle verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung und ein Verfahren zur sensorlosen Drehzahlmessung eines Gleichstrommotors.
Es ist ein übliches Verfahren, die Drehzahl eines Gleichstrommotors aus der Kommutierungswelligkeit des Ankerstroms zu bestimmen. Bei einer Ansteuerung des Gleichstrommotors mit einer pulsweitenmodulierten Spannung oder einer von einem Schaltregler erzeugten Spannung ist zur Drehzahlbestimmung die Ansteuerung zu unterbrechen. Nachteilig hierbei ist, daß während der Meßphase die Drehzahl des Motors absinkt. Will man diesen Nachteil gering halten, muß die Dauer der Meßphase möglichst klein gehalten werden, was aber die Genauigkeit des Meßergebnisses vermindert. Weiterhin ist nachteilig, daß während der Meßphase der Motorstrom abreißt, und die Motorwicklungen jedesmal beim Wiedereinschalten der Spannung mechanisch beansprucht werden, was zu einer verstärkten Geräuschentwicklung des Motors führt und die Lebensdauer des Motors vermindert.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Schaltung und ein Verfahren zur sensorlosen Drehzahlmessung eines Gleichstrommotors zu schaffen, welche auf einfache und kostengünstige Weise die genannten Nachteile vermeiden.
Die Lösung dieser Aufgabe ist durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 7 beschrieben. Hierbei wird der Motor in der Meßphase durch eine Konstantstromquelle angesteuert, so daß der Motorstrom während der Meßphase nicht abreißt.
Vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten der Konstantstromquelle sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die erfindungsgemäße Schaltung und das erfindungsgemäße Verfahren werden im folgenden anhand der Zeichnung verdeutlicht.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung als Blockschaltbild,
Fig. 2 ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs der Motorspannung während der Ansteuerungs- und Meßphase.
Die Schaltung besteht aus folgenden Funktionsblöcken (siehe Fig. 1):
  • 1. [A] In dieser Sollwertvorgabeeinrichtung wird der einzuprägende Strom (I_soll) in Abhängigkeit von der Drehzahl (n_soll) generiert.
  • 2. [B] Stromquelle. Die Stromquelle erzeugt aus dem Signal (I_soll) den Strom (I).
  • 3. [C] Drehzahlregler
  • 4. [D] Motortreiber
  • 5. [E] Auswerteblock. Hier wird die gemessene Motorspannung (U_Mot) ausgewertet und daraus ein Drehzahlsignal (n_ist) generiert.
Die Drehzahlerfassung erfolgt nach folgendem Verfahren (siehe Fig. 1 und 2):
  • 1. [1] Zunächst ist wird der Motor (M) mit Hilfe einer pulsweitenmodulierten Spannung (PWM) angesteuert.
  • 2. [2] Zur Beginn der Meßphase wird der Motortreiber (D) ausgeschaltet und die Stromquelle (B) eingeschaltet.
  • 3. [3] Der Auswerteblock (E) wertet die Spannung (U_Mot) während der Meßphase aus. Bedingt durch die Kommutierung verändert sich der Innenwiderstand des Motors (M). Da der Motorstrom durch die Stromquelle (B) konstant gehalten wird, wird der EMK-Anteil der Spannung (U_Mot) durch einen stark ausgeprägten Wechselstromanteil überlagert, dessen Frequenz der Drehzahl des Motors (M) proportional ist. Dieser Wechselstromanteil kann durch geeignete Auswertung im Auswerteblock (E) zur Drehzahlermittlung herangezogen werden. Weil der Motor (M) während der Meßphase weiter mit Strom versorgt wird, bleibt die Drehzahl konstant. Die Meßphase kann entsprechend lang sein.
  • 4. [4] Nach der erfolgten Messung wird der Motortreiber (D) eingeschaltet und die Stromquelle (B) ausgeschaltet.
Je nach gestellten Anforderungen kann die Stromquelle (B) unterschiedlich aufgebaut werden:
  • 1. Aufwendigste und genaueste Variante: Der Strom (I_soll) wird in Abhängigkeit von der Solldrehzahl (n_soll) mittels einer Software- oder Hardwarefunktion in der Sollwertvorgabeeinrichtung (A) ermittelt und aufgeschaltet.
  • 2. Es wird eine konstante Stromquelle (B) verwendet, die auf den Arbeitspunkt des Regelkreises (C, D, E) optimiert ist. In diesem Fall kann die Sollwertvorgabeeinrichtung (A) entfallen.
  • 3. Die Stromquelle (B) wird in einfachster Form durch einen Widerstand realisiert. Dann reduziert sich die Stromquelle (B) auf eine Serienschaltung eines Schalters (i. A. ein Halbleiterschalter) und eines Widerstandes.
  • 4. Die Stromquelle (B) und der Motortreiber (D) sind gemeinsam in Form eines integrierten Schaltkreises ausgebildet, wodurch die Anzahl der Bauteile reduziert werden kann.
  • 5. Die Stromquelle (B) und der Motortreiber (D) können einen gemeinsamen Leistungstransistor besitzen.
Der Auswerteblock (E) für die Motorspannung (U_Mot) kann in Form einer Hardwareschaltung oder durch einen Softwarealgorithmus realisiert werden.
Bezugszeichen
A Sollwertvorgabeeinrichtung
B Stromquelle
C Drehzahlregler
D Motortreiber
E Auswerteblock (für die Motorspannung U_Mot)
C, D, E Regelkreis
M Motor
I_soll Sollstromstärke
n_ist Istdrehzahl
n_soll Solldrehzahl
PWM pulsweitenmodulierte Spannung
U_Mot Motorspannung

Claims (7)

1. Schaltung zur sensorlosen Drehzahlmessung eines Gleichstrommotors
  • - mit einem Motortreiber (D), der den Motor (M) mittels einer pulsweitenmodulierten Spannung (PWM) oder einer von einem Schaltregler erzeugten Spannung ansteuert,
  • - mit einem Auswerteblock (E) für die Motorspannung (U_Mot), welcher die Istdrehzahl (n_ist) des Motors (M) aus dem Verlauf der Motorspannung (U_mot) bestimmt,
  • - mit einem Drehzahlregler (C), welcher den Motortreiber (D) in Abhängigkeit von der Istdrehzahl (n_ist) und der Solldrehzahl (n_soll) des Motors (M) ansteuert,
  • - und einer Stromquelle (B), welche den Motor (M) in der Drehzahlmeßphase mit einem konstanten Strom versorgt.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sollwertvorgabeeinrichtung (A) der Stromquelle (B) eine Sollstromstärke (I_soll) in Abhängigkeit von der Solldrehzahl (n_soll) vorgibt.
3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle (B) auf den Arbeitspunkt des Regelkreises (C, D, E) optimiert ist.
4. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle (B) durch einen Widerstand und einen Halbleiterschalter realisiert ist.
5. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle (B) und der Motortreiber (D) gemeinsam als integrierter Schaltkreis ausgebildet sind.
6. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle (B) und der Motortreiber (D) einen gemeinsamen Leistungstransistor aufweisen.
7. Verfahren zur sensorlosen Drehzahlmessung eines Gleichstrommotors mittels einer Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
  • 1. [1] der Motor (M) wird mit Hilfe der pulsweitenmodulierten Spannung (PWM) oder der von einem Schaltregler erzeugten Spannung angesteuert,
  • 2. [2] zu Beginn der Meßphase wird der Motortreiber (D) ausgeschaltet und die Stromquelle (B) eingeschaltet,
  • 3. [3] der Auswerteblock (E) wertet die Frequenz der Motorspannung (U_Mot) aus,
  • 4. [4] nach erfolgter Messung wird der Motortreiber (D) eingeschaltet und die Stromquelle (B) ausgeschaltet.
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