DE19949106A1 - Verfahren zur Drehzahlmessung und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Drehzahlmessung vorgeschlagen, nach dem eine ganze Umdrehung des Rotors bzw. der Rotorwelle kreissektorartig in mehrere Winkelschritte unterteilt wird und während der Drehung bei jedem Winkelschritt abwechselnd an einem von zwei zueinander in einem dem Winkelschritt gleichen Winkel angeordneten und als Binärsignalgeber wirkenden Sensoren eine Zustandsänderung (0-1 oder 1-0) herbeigeführt wird und aus den beiden Binärsignalen der Sensoren eine 2-Bit-Zahl mit vier möglichen Werten (0, 1, 2, 3) hergeleitet wird, die den vier Kombinationsmöglichkeiten (00, 01, 10, 11) der Binärsignale, also vier gemeinsamen Zustandsmöglichkeiten der beiden Sensoren entsprechen. Bei Vorwärts- und Rückwärtsdrehung des Rotors werden diese Werte (0, 1, 2, 3) in unterschiedlicher, sich aber jeweils gleichbleibend wiederholender Reihenfolge festgelegt. Wenn der Zeitabstand zwischen zwei oder mehreren aufeinanderfolgenden Zustandsänderungen der Sensoren gemessen wird, kann daraus die umgekehrt proportionale Drehzahl errechnet werden. Durch eine räumliche Mittelung bei der Messung der Zeitabstände werden auf Fertigungs- oder Lagetoleranzen beruhende Meßfehler ausgeglichen, durch Überlappung der gemessenen Zeitabstände (T¶P0¶, T¶P1¶, T¶P2¶, T¶P3¶) wird gleichzeitig erreicht, daß sich die Anzahl der Drehzahlwerte pro Umdrehung nicht verringert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Drehzahlmessung, insbesondere an bürstenlosen Gleichstrommotoren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bei bürstenlosen Gleichstrommotoren erfolgt die Kommutie­ rung der Stromzufuhr durch entsprechendes Schalten des Ständerfeldes, d. h. entsprechend der Winkellage des Rotors werden die Ständerwicklungen umgepolt. Dazu ist es erfor­ derlich, ein Lagesignal des Rotors zu generieren, das einer Kommmutierungselektronik zugeführt wird, welche dann ent­ sprechend der Winkellage des Rotors Endstufen schaltet, die die Bestromung der Ständerwicklungen bewirken.

Um die dazu erforderlichen Rotorlagesignale zu erhalten, ist es bekannt, Sensoren mit einem auf der Rotorwelle ange­ brachten Signalscheibe zusammenwirken zu lassen.

Nach der DE 298 02 297 U1 sind dies Hall-Sensoren, die gegenüber einem auf der Rotorwelle angebrachten Scheibenma­ gneten oder auch beabstandet zu dem als Permanentmagneten ausgebildeten Rotor in dessen Polzahl entsprechender Anzahl angeordnet sind. In letzterem Fall können bevorzugt, zwi­ schen der Stirnseite des Rotors und den Hall-Sensoren magnetisch leitende Einlegeteile vorgesehen sein, die das an den Rotorpolen austretende Magnetfeld zu den beabstande­ ten Hall-Sensoren leiten. Jede Rotorlage oder jede Schritt­ stellung, die der Rotor entsprechend der Polpaarzahl des Motors einnehmen kann, ergibt dann ein Lagesignal, von dem abhängig die Bestromung der Ständerwicklung geschaltet wird. Für eine Drehzahlregelung solcher Motoren ist ein möglichst genauer Drehzahlwert erforderlich.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein vielseitig einsetzbares und wirtschaftliches Verfahren aufzuzeigen, mit dem die Drehzahl einer Welle, insbesondere bei bürstenlosen Gleich­ strommotoren, ausreichend genau ermittelt werden kann, um für die Regelung der Drehzahl genutzt werden zu können, und zwar auch bei vergleichsweise kleinen Drehzahlen. Fehler, die aufgrund von Fertigungstoleranzen mitwirkender Bauteile auftreten können, sollen minimiert bzw. ausgeglichen wer­ den; gleichzeitig soll eine optimale Abtastung der Drehzahl erreicht werden.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß eine ganze Umdrehung des Rotors bzw. der Rotorwelle kreissektorartig in mehrere Winkelschritte unterteilt wird und während der Drehung bei jedem Winkelschritt abwechselnd an einem von zwei oder mehreren zueinander in einem Winkelabstand ange­ ordneten und als Binärsignalgeber wirkenden Sensoren eine Zustandsänderung herbeigeführt wird und aus den zwei oder mehreren Binärsignalen der Sensoren eine Bit-Zahl mit meh­ reren möglichen Werten hergeleitet wird, die den gemeinsa­ men Zustandsmöglichkeiten der Sensoren entsprechen und die bei Vorwärts- und Rückwärtsdrehung des Rotors in unter­ schiedlicher, sich dabei aber jeweils gleichbleibend wie­ derholender Reihenfolge festgestellt werden und daß der Zeitabstand zwischen zwei oder mehreren aufeinanderfolgen­ den Zustandsänderungen der Sensoren gemessen und daraus die umgekehrt proportionale Drehzahl errechnet wird.

Indem der für mehrere Zustandsänderungen an den Sensoren während einer Umdrehung benötigte Zeitabstand gemessen wird, wird eine räumliche Mittelung der gemessenen Zeitab­ stände gebildet, so daß auf Fertigungstoleranzen z. B. der Signalscheibe und/oder Lagetoleranzen der Sensoren beru­ hende Meßfehler prozentual verringert werden und damit eine Glättung der erhaltenen Drehzahlwerte erreicht wird. Die so erhaltenen Drehzahlwerte sind für eine Drehzahlregelung jedenfalls bei nicht zu niedrigen Drehzahlen geeignet.

Vorzugsweise wird der Zeitabstand zwischen mehr als zwei Zustandsänderungen der Sensoren gemessen und bei jeder Zustandsänderung der Sensoren mit einer Zeitmessung über eine gleiche Anzahl von Zustandsänderungen begonnen und aus jedem dieser gemessenen Zeitabstände die umgekehrt propor­ tionale Drehzahl errechnet wird. Durch die sich überlappend gemessenen Zeitabstände wird neben der Fehlerreduzierung durch die räumliche Mittelung gleichzeitig erreicht, daß sich die Anzahl der Drehzahlwerte pro Umdrehung nicht ver­ ringert, so daß die erhaltenen Drehzahlwerte sich noch bes­ ser für eine Drehzahlregelung, und zwar auch bei niedrigen Drehzahlen eignen. Die Reglerstabilität erhöht sich. Die überlappende Zeitmessung erhöht die Abtastrate, ohne daß die Auflösung an einem Signalgeber erhöht werden muß.

Nach einem vorteilhaften Vorschlag der Erfindung wird der Zeitabstand zwischen dem Auftreten von zwei gleichen, durch die aus den Binärsignalen der Sensoren hergeleiteten Werte der Bit-Zahl beschriebenen Sensorzuständen gemessen, mit jeder Zustandsänderung der Sensoren eine Zeitmessung begon­ nen und aus jedem dieser gemessenen Zeitabstände die umge­ kehrt proportionale Drehzahl errechnet.

Zur weiteren Glättung der Drehzahlwerte können mehrere der ermittelten Drehzahlwerte zusätzlich untereinander zeitlich gemittelt werden.

Die Drehrichtung bzw. das Vorzeichen der Drehzahl kann aus der Reihenfolge der durch die Werte der Bit-Zahl beschrie­ benen Sensorzustände bestimmt werden.

Nach dem Ausbleiben einer Sensorzustandsänderung über eine bestimmte Zeitspanne erfolgt zweckmäßig eine Absenkung des Drehzahlwertes; diese Zeitspanne kann solldrehzahlabhängig vorgegeben sein.

Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Zeitabstände jeder Zustandsänderung der Sen­ soren zur vorhergehenden Zustandsänderung und die jeweilige Drehrichtung des Rotors gemessen und die Meßwerte in einem Ringpuffer abgelegt werden, wobei zur Errechnung der Dreh­ zahl eine wählbare Anzahl der jeweils letzten Werte des Ringpuffers, deren Drehrichtung mit der aktuellen Drehrich­ tung des Rotors übereinstimmt, aufaddiert werden. Die Aus­ wertung der gemessenen Zeitabstände und Richtungen zur Drehzahlberechnung kann hierbei auch zyklisch und unabhän­ gig von der Rotorlage bzw. deren Änderung, z. B. in einem zyklisch abgearbeiteten digitalen Regler erfolgen.

Bei zyklischer Drehzahlbestimmung kann weiterhin vorgesehen sein, daß der Zeitabstand zwischen der letzten Zustandsän­ derung eines Sensors und dem Zeitpunkt der Drehzahlberech­ nung gemessen und in die Drehzahlberechnung einbezogen wird, wenn dieser Zeitabstand um einen definierten Betrag, z. B. 10% größer ist als der zuletzt im Ringpuffer gespei­ cherte Wert. Auf diese Weise läßt sich bei einer Drehzahl­ absenkung eine noch größere Annäherung der berechneten Drehzahl an die reale Drehzahl erreichen. Ist ein stärkerer Drehzahlabfall vorhanden, so kann man erfindungsgemäß wei­ terhin die Anzahl der addierten letzten Werte verringern, die zur Drehzahlberechnung herangezogen werden. Hierdurch gehen Drehzahländerungen noch schneller in die Berechnung ein, so daß eine schnellere Reaktion des Reglers möglich ist, um die Drehzahl wieder auf den Sollwert regeln zu kön­ nen.

Bei einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemä­ ßen Verfahrens ist auf der Rotorwelle eines Motors eine Signalscheibe drehfest angeordnet, deren Stirnfläche kreis­ sektorartig in eine gerade Anzahl von Signalfeldern unter­ teilt ist, die abwechselnd die zwei Zustände 0 und 1 eines Binärsignals repräsentieren; gegenüber der Stirnfläche der Signalscheibe sind zwei oder mehrere auf die Signale der Signalscheibe ansprechende Sensoren in einem solchen Win­ kelabstand zueinander angeordnet, daß sich bei gleichen Winkelschritten des Rotors jeweils eine Zustandsänderung wenigstens eines Sensors ergibt.

Vorzugsweise sind die sektorartige Unterteilung der Signal­ scheibe und der Winkel, in dem die Sensoren zueinander ste­ hen, an die Polpaarzahl des Motors angepaßt.

Im Falle eines zweiphasigen Gleichstrommotors, dessen Rotor insgesamt acht Winkelstellungen einnehmen kann, ist die Signalscheibe vorteilhaft in insgesamt vier gleich große Signalfelder unterteilt, wobei der Signalinhalt sich gegen­ überliegender Signalfelder jeweils gleich ist. Der Winkel­ abstand der Sensoren beträgt dabei 45° oder 135°.

Bei einem dreiphasigen Gleichstrommotor kann die Signal­ scheibe in zwei oder vier gleichgroße Signalfelder unter­ teilt sein und mit drei im Abstand von z. B. 60° angeordne­ ten Sensoren zusammenwirken, wodurch sich im einen Fall sechs und im anderen Fall zwölf erfassbare Winkelstellungen des Rotors pro Umdrehung ergeben.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsge­ mäßen Vorrichtung ist die Signalscheibe eine Permanentma­ gnetscheibe, die sektorartig abwechselnd in Nord- und Süd­ pole unterteilt ist und die Sensoren sind Hall-Sensoren.

Die zu messenden Zeitabstände können durch eine entspre­ chende Anzahl von Zeitmessern oder Timern eines Reglers oder Controllers gemessen werden.

Da das erfindungsgemäße Verfahren Fertigungstoleranzen bei der Signalscheibe, insbesondere der Permanentmagnetscheibe und deren Einteilung in Nord- und Südpole zuläßt, ergeben sich Kosteneinsparungen bei der Herstellung.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der nachfolgenden Zeichnungen am Beispiel eines zweiphasigen, bürstenlosen Gleichstrommotors näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 schematisch den Aufbau einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Vorrich­ tung zur Drehzahlermittlung

Fig. 2 das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Glättung gewonnener Drehzahlwerte,

Fig. 3 mit Bezug auf Fig. 2 auf einer Zeitachse t auf­ getragen die Sensorzustände, die nach dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren während eines Meßvorgangs in einer Drehrichtung eingenommen werden und die Abfolge der gemessenen Zeitabstände,

Fig. 4 einen realen Drehzahlverlauf im Vergleich zum Verlauf der durch Periodendauermessung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zuständen ermittelten Drehzahl und zu einem nach der Erfindung gewon­ nenen und geglätteten Drehzahlverlauf, bei dem die Drehzahl nur alle 180° bestimmt wird (nicht überlappende räumliche Glättung),

Fig. 5 den realen Drehzahlverlauf gemäß Fig. 4 wiederum im Vergleich zum Verlauf der durch Periodendauer­ messung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zuständen ermittelten Drehzahl und zu einem nach der Erfindung gewonnenen und geglätteten Dreh­ zahlverlauf, bei dem die Drehzahl bei jedem Über­ gang bestimmt wird (überlappende räumliche Glät­ tung),

Fig. 6 den realen Drehzahlverlauf gemäß Fig. 4 im Ver­ gleich zu gemessenen und nachträglich geglätteten Drehzahlverläufen,

Fig. 7 das Prinzip eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 8a-8c Zeitstrahlen verschiedener Meßsituationen des Verfahrens gemäß Fig. 7.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird beispielhaft für die Anwendung bei einem zweiphasigen, bürstenlosen Gleichstrom­ motor beschrieben, ohne darauf beschränkt zu sein, denn es läßt sich auch auf höherphasige, z. B. dreiphasige, und/oder höherpolige Systeme übertragen.

Es wird zunächst Bezug genommen auf Fig. 1. Sie zeigt schematisch den Aufbau einer Vorrichtung, die zur Drehzahl­ ermittlung nach der Erfindung geeignet ist. Sie besteht im Prinzip aus einer mit der Rotorwelle drehbaren Signal­ scheibe 10, die sektorartig in Signalfelder 11 und 12 unterteilt ist, die abwechselnd die zwei Zustände 0 und 1 eines Binärsignals repräsentieren. Der Stirnseite der Signalscheibe 10 mit ihren Signalfeldern 11 und 12 gegen­ überliegend sind zwei auf die Signale der Signalscheibe 10 ansprechende Sensoren 13 in einem Winkel a zueinander ange­ ordnet, der abhängig von der Unterteilung der Signalscheibe 10 zu wählen ist, welche sich wiederum nach der Polpaarzahl des Motors richtet.

Im Falle des gewählten Beispiels eines zweiphasigen Gleich­ strommotors ist die Signalscheibe 10 also in vier gleich große Sektoren zu 90° unterteilt, die abwechselnd die Signalfelder 11 bzw. 12 bilden, und die beiden Sensoren 13 stehen zueinander in einem Winkel von 45°.

Weiter wird im folgenden angenommen, daß die Signalscheibe 10 bevorzugt eine Permanentmagnetscheibe 10 ist, die sek­ torartig abwechselnd in Nord- und Südpole eingeteilt ist; die Sensoren 13 sollen Hall-Sensoren sein. Andere Signalge­ bersysteme sind aber ebenfalls möglich, z. B. beruhend auf dem optischen Prinzip.

Der Rotor des als Beispiel angenommene zweiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotors, der aus einem zweiphasigen Schrittmotor abgeleitet wurde, kann innerhalb einer ganzen Umdrehung insgesamt acht Stellungen bzw. Vollschrittposi­ tionen einnehmen. Mit einer gemäß Fig. 1 aufgebauten Vor­ richtung können alle diese acht Stellungen detektiert wer­ den.

Jeder der Hall-Sensoren 13 gibt abhängig von der Richtung des magnetischen Feldes, in dessen Flußbereich er sich gerade befindet, also je nachdem, ob er sich einem nordpo­ ligen Signalfeld 11 oder einem südpoligen Signalfeld 12 der Signalscheibe 10 gegenüber befindet, den Wert 1 oder 0 aus, und der Winkel a, in dem die Hall-Sensoren 13 zueinander stehen, ist im Beispiel mit 45° so gewählt, daß bei den aufeinander folgenden Rotorlagen die Hall-Sensoren 13 abwechselnd gemeinsam einem der Magnetfelder bzw. jeweils einem anderen von zwei benachbarten Magnetfeldern gegen­ überstehen.

Werden die Ausgabewerte 0 und 1 der beiden Hall-Sensoren 13 gemeinsam als 2-Bit-Zahl interpretiert, so ergeben sich gemäß folgender Tabelle die Werte 0, 1, 2 oder 3 als gemeinsame Zustandsbeschreibung der Hall-Sensoren 13 und damit für die Stellung des Rotors.

Auch die Drehrichtung des Rotors läßt sich damit eindeutig bestimmen. Dreht sich der Rotor vorwärts im Uhrzeigersinn, so ergibt sich die Reihenfolge an Zustandsänderungen an den Hall-Sensoren 13 von 0-2-3-1; dreht sich der Rotor rück­ wärts entgegen dem Uhrzeigersinn so ergibt sich die Reihen­ folge 0-1-3-2.

Da der Zeitabstand zwischen zwei Zustandsänderungen an den Sensoren 13 der Drehzahl des Rotors umgekehrt proportional ist, würde es im Prinzip genügen, den Zeitabstand jeweils zwischen zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden Zu­ standsänderungen zu messen, um daraus den Drehzahlwert ableiten zu können.

Infolge von Fertigungstoleranzen an der Signalscheibe 10 sind die Sektoren und damit die Signalfelder 11, 12 in ihrer Größe aber meist unregelmäßig, und dies insbesondere bei der hier bevorzugten Ausführungsform der Signalscheibe 10 als Permanentmagnetscheibe mit wechselnder Polung. Der ermittelte Drehzahlwert würde damit starken Schwankungen unterliegen, was sich bei der Drehzahlregelung sehr negativ auswirken würde. Auch Lagetoleranzen der Sensoren 13 beein­ flussen die Genauigkeit der ermittelten Drehzahl.

Um für eine Drehzahlregelung tauglich zu sein, muß der ermittelte Drehzahlwert also geglättet werden. Dies kann prinzipiell auf zwei Arten geschehen.

Einmal können mehrere Drehzahlwerte hergeleitet und aus diesen anschließend eine Mittelwert gebildet werden; es handelt sich dabei um eine zeitliche Mittelung.

Um den prozentualen Fehler zu verkleinern, kann auch die Zeit gemessen werden, die der Rotor des Gleichstrommotors zwischen mehr als zwei Zustandsänderungen der Sensoren 13 benötigt, nach dem angegebenen Beispiel also etwa bei einer Drehung um 90° oder 180° an Stelle der Zeit zwischen nur zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden Zustandsänderungen bei einer Drehung von 45°. Da die absolute Abweichung des ermittelten Drehzahlwertes gleich bleibt, aber der zurückgelegte Winkel vergrößert ist, wird damit der prozen­ tuale Fehler verkleinert.

Wird in dem hier angenommenen Beispiel die Zeit gemessen, die der Rotor für die einer Drehung von 180° entsprechenden Zustandsänderungen benötigt (siehe auch Fig. 2), so ver­ ringert sich der prozentuale Fehler auf ein Viertel gegen­ über dem, der auftritt, wenn nur die Zeit zwischen zwei unmittelbar aufeinander folgenden Zustandsänderungen nach einer Drehung von 45° gemessen wird. Es handelt sich dabei um eine räumliche Mittelung.

Die zeitliche und die räumliche Mittelung können auch kombiniert eingesetzt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der räumlichen Mittelung, und diese wird für das oben angegebene Beispiel eines zweiphasigen Gleichstrommotors anhand der Fig. 2 näher erläutert.

Auf einem in Sektoren von 45° eingeteilten Kreis sind die möglichen Rotorstellungen als 2-Bit-Zahlen 0 bis 3 der Sensorzustände gemäß obiger Tabelle aufgetragen. Nach einer Drehung von 180° wird jeweils der gleiche gemeinsame Sen­ sorzustand der Sensoren 13 wieder erreicht, und es wird zur räumlichen Mittelung des Drehzahlwertes der Zeitabstand zwischen dem Auftreten von jeweils zwei gleichen Sensorzu­ ständen 0-0, 2-2, 3-3, 1-1 gemessen. Diese Reihenfolge ent­ spricht der Drehung des Rotors im Uhrzeigersinn.

Würde man die räumliche Mittelung nur für einen Sensor-Zu­ standswert (z. B. 3-3) durchführen, erhielte man nur nach einer jeweiligen Drehung von 180° einen neuen Drehzahlwert. Dies würde insbesondere bei niedrigen Drehzahlen eine sehr geringe Anzahl von Drehzahlwerten ergeben, die für eine Drehzahlregelung nicht immer ausreichend wäre.

Wird dagegen für jeden Sensor-Zustandswert 0 bis 3 die räumliche Mittelung durchgeführt, so erhält man trotz die­ ser räumlichen Mittelung bei jeder Sensor-Zustandsänderung einen neuen Drehzahlwert, und es wird so die mit diesem Meßverfahren maximal mögliche Abtastfrequenz bei gleichzei­ tiger Glättung des erhaltenen Drehzahlwertes erreicht.

Fig. 2 und 3 veranschaulichen das Prinzip des Meßverfah­ rens. T_PO ist dabei die zwischen zwei Sensorzuständen 0 gemessene Zeit, d. h. beide Sensoren 13 gaben jeweils den Signalwert 0 ab (siehe die obige Tabelle), T_P1, T_P2 und T_P3 sind dementsprechend die zwischen zwei gleichen Sensorzu­ ständen 1, 2 und 3 gemessenen Zeiten. In Fig. 2 sind diese Zeiten am Kreis mit den den möglichen Rotorpositionen ent­ sprechenden Sensorzuständen für eine Vorwärtsdrehung des Rotors im Uhrzeigersinn aufgetragen. Es ist dabei klar zu erkennen, daß ein gleicher Sensorzustand immer nach einer jeweiligen Drehung von 180° erreicht wird und daß mit jedem erreichten Sensorzustand bzw. aus jeder möglichen Rotorschrittstellung eine Zeitmessung beginnt.

In Fig. 3 ist dasselbe Prinzip nochmals linear darge­ stellt. Auf einer Zeitachse t sind die Sensorzustände 0 bis 3 in der Reihenfolge aufgetragen, wie sie bei einer Vor­ wärtsdrehung nacheinander erreicht werden. Zur Vereinfa­ chung sind dabei die einzelnen Sensorzustände gleichmäßig beabstandet wiedergegeben. In der Realität variieren diese Abstände infolge der erwähnten Fertigungstoleranzen und Ungenauigkeiten. Über der Zeitachse t ist auch hier die mit jedem erreichten Sensorzustand einsetzende Zeitmessung zwi­ schen zwei gleichen Sensorzuständen dargestellt, wobei zwei aufeinanderfolgende gleiche Sensorzustände wiederum einer Rotordrehung von 180° entspricht.

Aus den gemessenen Zeiten kann fortlaufend die aktuelle Drehzahl hergeleitet werden. Tritt über eine bestimmte Zeit keine Sensorzustandsänderung auf, so wird dies berücksich­ tigt, indem der Drehzahlwert abgesenkt wird. Ein entspre­ chender Timeout oder Zeitabstand für eine Drehzahlabsenkung kann z. B. solldrehzahlabhängig vorgegeben werden.

Die zu messenden Zeitabstände T_P0, T_P1, T_P2 und T_P3 können z. B. über vier Zeitmesser oder Timer eines Reglers oder Controllers gemessen werden.

Für eine weitere Glättung können die vier ermittelten Drehzahlwerte untereinander nochmals gemittelt werden.

Für den vorzeichenbehafteten Drehzahlwert ist die Drehrich­ tung, die sich, wie oben erwähnt, aus der Reihenfolge der Sensorzustände ermitteln läßt, zu berücksichtigen.

Das Verfahren wurde für einen willkürlich gewählten Drehzahlverlauf simuliert, um seine Wirkungsweise und die damit erzielten Vorteile aufzuzeigen. Die Ergebnisse sind in den Diagrammen der Fig. 4 bis 6 wiedergegeben.

In allen diesen drei Diagrammen ist der tatsächliche oder reale Drehzahlverlauf, der sinusförmig gewählt wurde, mit einer strichpunktierten Sinuskurve a wiedergegeben.

Die Kurve b in den Fig. 4 und 5 gibt den Verlauf der mit dem beschriebenen Verfahren theoretisch genauest möglich ermittelbaren Drehzahl wieder, wenn nämlich die Drehzahl fortlaufend aus dem Zeitabstand zwischen zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden Sensorzustandsänderungen 0 bis 3 (siehe Fig. 2) errechnet wird; sie gibt also das bestmög­ liche Ergebnis wieder, das mit dem beschriebenen Verfahren überhaupt zu erreichen ist. Voraussetzung dafür ist aller­ dings, daß die Vorrichtung zur Signalerzeugung an den Sen­ soren 13 und zur Auswertung der Signale exakte Werte lie­ fert und diese nicht durch Fertigungstoleranzen (z. B. der Signalscheibe 10) oder Lagetoleranzen (z. B. der Sensoren 13) oder sonstige Abweichungen verfälscht sind.

Die Kurve c in Fig. 4 gibt den Verlauf der berechneten Drehzahl wieder, wenn die Drehzahl aus dem Zeitabstand berechnet wird, der für mehr als zwei Zustandsänderungen an den Sensoren 13, im hier angenommenen Beispiel für eine Drehung um 180°, benötigt wird, wenn also, wie oben darge­ legt, eine einfache räumliche Mittelung durchgeführt wird. Dabei werden Toleranzen in der Signalerzeugung ausgegli­ chen, es stehen aber nur deutlich weniger Drehzahlwerte zur Verfügung, die für eine Drehzahlregelung, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen, nicht immer ausreichend sein können.

Die Kurve d in Fig. 5 gibt den Verlauf der nach dem, wie oben beschrieben, fortentwickelten Verfahren der räumlichen Mittelung berechneten Drehzahl wieder, wenn also die Dreh­ zahl aus den Zeitabständen berechnet wird, die für mehr als zwei Zustandsänderungen an den Sensoren 13, hier wieder beispielhaft eine Drehung um 180°, benötigt wird und bei jeder Zustandsänderung an den Sensoren eine Zeitmessung einsetzt, so daß einerseits eine räumliche Mittelung durch­ geführt, aber dennoch eine höchstmögliche Anzahl von Dreh­ zahlwerten erzielt wird, im hier angenommenen Beispiel nach jeder Drehung um 45° ein Drehzahlwert gewonnen wird. Es findet hier sozusagen eine mehrfache, sich überschneidende, räumliche Mittelung statt.

Vergleicht man die Kurven der Fig. 4 und 5, so ist zunächst festzustellen, daß alle Kurven b bis d gegenüber dem realen Drehzahlverlauf der Sinuskurve a eine Totzeit aufweisen, die im Aufbau des Meßsystems und der Berech­ nungsmethode begründet sind. Beim Vergleich der Kurven c und d mit der dem theoretisch bestmöglich erreichbaren Ergebnis entsprechenden Kurve b, ist deutlich zu erkennen, daß die die mehrfache räumliche Mittelung repräsentierende Kurve d gegenüber der Kurve c der einfachen räumlichen Mit­ telung eine deutliche Verbesserung darstellt, sie nämlich der Kurve b des bestmöglichen Ergebnisses in auffallender Weise angenähert ist. Die Drehzahlmessung nach der mehrfa­ chen räumlichen Mittelung ist von ihrer Qualität her (Totzeit, Abtastrate) mit dem bestmöglichen Ergebnis nach der Kurve b vergleichbar; gleichzeitig wird dabei aber der negative Einfluß von Fertigungs- und/oder Lagetoleranzen am Signalgeber deutlich verringert.

In Fig. 6 sind nachträglich geglättete Drehzahlverläufe dargestellt. Die Kurve e stellt den zeitlich gemittelten Drehzahlverlauf aus den jeweils letzten vier Drehzahlwerten nach Kurve c dar und die Kurve f den zeitlich gemittelten Drehzahlverlauf aus den letzten vier Drehzahlwerten nach Kurve d. Man kann daraus ersehen, daß eine nachträgliche Glättung in jedem Falle bezüglich der für das Regelverhal­ ten wichtigen Totzeit einen Nachteil darstellt.

Fig. 7 veranschaulicht eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens am Beispiel eines dreiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotors mit drei in einem Winkelabstand von z. B. 60° angeordneten Hallsensoren und einer analog zu Fig. 1 in vier Signalfeldern unterteilten Signalscheibe. Bei einer solchen Anordnung ergeben sich pro Rotorumdrehung bei den drei Sensoren insgesamt zwölf Zustandsänderungen, die einen Winkelabstand von 30° haben und in dem Kreisdiagramm gemäß Fig. 7 jeweils durch einen Radius wiedergegeben sind. Bei jeder Zustandsänderung wird der Zeitabstand t_s zur vorher­ gehenden Zustandsänderung und die Drehrichtung gemessen. Die gemessenen Werte t_s0-t_s11 werden in ihrer zeitlichen Folge zusammen mit der durch Vorzeichen gekennzeichneten Drehrichtung in einem Ringpuffer abgelegt, der eine bestimmte, gleichbleibende Zahl von Werten speichert und bei jeder Hinzufügung eines neuen Wertes den jeweils ältes­ ten Wert löscht. Wie bei dem vorstehend beschriebenen Bei­ spiel kann bei jeder Zustandsänderung eine Drehzahlberech­ nung durchgeführt werden, wobei eine Folge der jüngsten Werte des Ringpuffers, deren gespeicherte Drehrichtungen mit der aktuellen Drehrichtung übereinstimmen, zu einem Wert t_sΣ aufaddiert und daraus die Drehzahl bestimmt wird. In vielen Fällen hat es sich als ausreichend erwiesen, wenn jeweils die vier jüngsten gespeicherten Werte zur Drehzahl­ berechnung herangezogen werden, sofern ihre Drehrichtung mit der aktuellen Drehrichtung übereinstimmt. Ist dies nicht der Fall, sondern stimmen beispielsweise nur die letzten drei Werte mit der aktuellen Drehrichtung überein, so werden nur diese zur Drehzahlberechnung herangezogen.

Die Drehzahlberechnung durch Auswertung der gespeicherten Zeit- und Richtungswerte kann auch zyklisch und unabhängig von der Rotorlage bzw. deren Änderung, z. B. in einem zyklisch abgearbeiteten digitalen Regler geschehen. In Fig. 7 bezeichnen die Radiallinien x₁ und x₂ Zeitpunkte eines solchen Zyklus an welchen ein Aufruf zur Drehzahlbe­ rechnung erfolgt. Die Zeitpunkte x₁, x₂ . . . x_n haben jeweils einen Zeitabstand t_L zu der letzten gemessenen Zustandsän­ derung der Sensoren, der ebenfalls gemessen wird und in bestimmten Fällen ebenfalls zur Drehzahlberechnung herange­ zogen werden kann.

In den Fig. 8a bis 8c sind drei Fälle angegeben, die sich bei zyklischer Drehzahlbestimmung ergeben können. Die Figuren zeigen auf einem Zeitstrahl verschiedene Zeitpunkte x₁, zu dem der Aufruf zur Drehzahlberechnung erfolgt, die fünf letzten Zustandsänderungen z der Sensoren, die gemes­ senen und gespeicherten Zeitabstände t_s1, t_s0, t_s11, t_s10 zwischen den Zustandsänderungen z und die noch nicht erfassten Zeitabstände t_s2 und t_s3 zu bzw. zwischen zukünf­ tigen Zustandsänderungen der Sensoren.

Bei dem Fall gemäß Fig. 8a ist der Zeitabstand t_L zwischen dem Zeitpunkt x₁ und der letzten Zustandsänderung z kleiner als der zuletzt gespeicherte Zeitabstand t_s1. In diesem Fall gibt der Zeitabstand t_L keinen Aufschluß über die reale Drehzahl. Zur Drehzahlberechnung werden daher nur die vier letzten gespeicherten Zeitabstände t_s1, t_s0, t_s11 und t_s10 aufsummiert.

Bei dem in Fig. 8b gezeigten Fall ist die bei Aufruf zur Drehzahlberechnung seit der letzten Zustandsänderung z ver­ strichene Zeit t_L etwa 10% größer als der zuletzt im Ring­ puffer gespeicherte Wert t_s1. In diesem Fall wird die Zeit t_L in die Drehzahlberechnung einbezogen, indem die Summe t_sΣ aus den letzten vier Werten t_s1, t_s0, t_s11, t_s10 und der Zeit t_L gebildet wird. Die Zeit t_L verkörpert somit einen mindestens zehnprozentigen Drehzahlabfall. Durch die Berücksichtigung von t_L als fünften Wert wird eine bessere Annäherung der berechneten Drehzahl an die reale Drehzahl erreicht.

Ist die Zeit t_L, wie in Fig. 8c gezeigt etwa doppelt so groß wie der letzte gespeicherte Wert t_s1, so deutet dies auf einen starken Drehzahlabfall hin. Um dies bei der Dreh­ zahlberechnung schneller berücksichtigen zu können, wird die Anzahl der gespeicherten Werte, die zur Drehzahlberech­ nung herangezogen werden bzw. der Winkel über den die räum­ liche Mittelung erfolgt, z. B. auf die letzten drei Werte t_s1, t_s0, t_s11 verringert. Die Summe t_{s Σ} wird somit aus der Zeit t_L und den Werten t_s1, t_s0 und t_s11 gebildet. Die Anzahl der aufaddierten Werte kann auch kleiner als drei werden. Ist der Drehzahlabfall nicht mehr vorhanden, d. h. die Zeit t_L ist kürzer als der letzte gemessene Zeitabstand t_s, so wird die Wertezahl bzw. der Winkel, über den die räumliche Mittelung erfolgt, wieder auf den alten Wert gesetzt. Die Kriterien dafür, ob t_L in die Berechnung mit einbezogen wird bzw. ob die Anzahl der aufaddierten Werte verringert wird, können parametrierbar sein.

Claims (16)

1. Verfahren zur Drehzahlmessung, insbesondere an bürstenlosen Gleichstrommotoren, dadurch gekennzeich­ net, daß eine ganze Umdrehung des Rotors bzw. der Rotorwelle kreissektorartig in mehrere Winkelschritte unterteilt wird und während der Drehung bei jedem Win­ kelschritt abwechselnd an einem von zwei oder mehreren zueinander in einem Winkelabstand angeordneten und als Binärsignalgeber wirkenden Sensoren (13) eine Zustandsänderung (0-1 oder 1-0) herbeigeführt wird und aus den Binärsignalen der Sensoren (13) eine Bit-Zahl hergeleitet wird, die den gemeinsamen Zustandsmög­ lichkeiten der Sensoren (13) entsprechen und die bei Vorwärts- und Rückwärtsdrehung des Rotors in unterschiedlicher, sich aber jeweils gleichbleibend wiederholender Reihenfolge feststellbar sind und daß der Zeitabstand zwischen zwei oder mehreren aufeinanderfolgenden Zustandsänderungen der Sensoren (13) gemessen und daraus die umgekehrt proportionale Drehzahl errechnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitabstand zwischen mehr als zwei Zustandsänderun­ gen der Sensoren (13) gemessen wird und mit jeder Zustandsänderung der Sensoren (13) eine Zeitmessung über eine gleiche Anzahl von Zustandsänderungen beginnt und aus jedem gemessenen Zeitabstand die umgekehrt pro­ portionale Drehzahl errechnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitabstand (T_PO, T_P1, T_P2, T_P3) zwischen dem Auf­ treten von zwei gleichen, durch die aus den Binärsigna­ len der Sensoren (13) hergeleiteten Werte der Bit-Zahl beschriebenen Sensorzuständen gemessen wird, mit jeder Zustandsänderung der Sensoren (13) eine Zeitmessung beginnt und aus jedem gemessenen Zeitabstand (T_P0, T_P1, T_P2, T_P3) die umgekehrt proportionale Drehzahl errech­ net wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere der so ermittelten Drehzahlwerte zusätzlich untereinander zeitlich gemit­ telt werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehrichtung bzw. das Vorzeichen der Drehzahl aus der Reihenfolge der durch die Werte der Bit-Zahl beschriebenen Sensorzustände bestimmt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Ausbleiben einer Sensorzustandsänderung über eine bestimmte Zeitspanne eine Absenkung des Drehzahlwertes erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß diese Zeitspanne solldrehzahlabhängig vorgegeben ist.

8. Verfahren ein einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitabstände jeder Zustandsänderung der Sensoren zur vorhergehenden Zustandsänderung und die jeweilige Drehrichtung des Rotors gemessen und die gemessenen Werte in zeitlicher Reihenfolge in einem Ringpuffer abgelegt werden und daß zur Errechnung der Drehzahl eine Folge der letzten Werte des Ringpuffers, deren Drehrichtung mit der aktu­ ellen Drehrichtung übereinstimmt, aufaddiert werden.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung der Drehzahl in einem von der Rotorlage abhängigen oder unabhängigen Zyklus erfolgt.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitabstand zwischen der letzten Zustandsänderung eines Sensors und dem Zeitpunkt der Berechnung der Drehzahl gemessen und in die Berechnung der Drehzahl einbezogen wird, wenn die­ ser Zeitabstand um einen definierten Betrag größer ist als der zuletzt im Ringpuffer gespeicherte Wert.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der gespeicherten Werte, die zur Berechnung der Drehzahl herangezogen werden, verringert wird, wenn der Zeitabstand zwischen der letzten Zustandsänderung eines Sensors und dem Zeitpunkt der Berechnung der Drehzahl um einen definierten größeren Betrag größer ist als der zuletzt im Ringpuffer gespeicherte Wert.

12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Rotorwelle eines Motors eine Signalscheibe (10) drehfest angeordnet ist, deren Stirnfläche kreissektorartig in eine gerade Anzahl von Signalfel­ dern (11, 12) unterteilt ist, die abwechselnd die zwei Zustände (0 und 1) eines Binärsignals repräsentieren und daß gegenüber der Stirnfläche der Signalscheibe (10) zwei oder mehr auf die Signale der Signalscheibe (10) ansprechende Sensoren (13) in einem solchen Win­ kelabstand zueinander angeordnet sind, daß sich bei gleichen Winkelschritten des Rotors jeweils eine Zustandsänderung eines Sensors ergibt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die sektorartige Unterteilung der Signalscheibe (10) und der Winkel (a), in dem die Sensoren (13) zueinander stehen, an die Polpaarzahl des Motors ange­ paßt sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalscheibe (10) in insgesamt vier gleich große Signalfelder (11, 12) unterteilt ist, wobei der Signalinhalt sich gegenüberliegender Signalfelder (11 bzw. 12) jeweils gleich ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalscheibe (10) eine Permanentmagnetscheibe ist, die kreissektorartig abwechselnd in Nord- und Südpole unterteilt ist und daß die Sensoren (13) Hall-Sensoren sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zu messenden Zeitabstände durch eine entspre­ chende Anzahl von Zeitmessern oder Timern eines Reglers oder Controllers meßbar sind.