DE3824811A1 - Verfahren zur messung der anzahl von umdrehungen eines gleichstrommotors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Anzahl der Umdrehungen eines Gleichstrommotors sowie die Verwendung eines derartigen Verfahrens.

Zur Messung von Umdrehungen sind eine ganze Reihe von Ver­ fahren bekannt, wie beispielsweise die stroboskopische Dreh­ zahlmessung mit Hilfe einer pulsierenden Lichtquelle, die direkte Drehzahlmessung mit Hilfe lichtelektrischer Zählung von Markierungsdurchgängen, die Wirbelstrommessung und ähn­ liches. Weitere Drehzahlmessungen betreffen die Tachodynamo­ messung und die Messung mit Hilfe einer Unipolarmaschine (siehe Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau, 14. Auflage, Seite 1257).

Eine weitere Drehzahlmessung kann darin bestehen, bei einem Gleichstrommotor die Amplituden des Ankerstroms zu messen und diese abzuzählen.

Die Erfindung geht daher aus von einem Verfahren der in dem Oberbegriff des Hauptanspruchs genannten Gattung.

Ein derartiges Verfahren hat den Nachteil, daß die Umdrehung aber nur so lange gemessen werden kann, wie tatsächlich ein Gleichstrom dem Motor zugeführt wird. Für viele Bedarfs­ fälle, in denen die Kenntnis der Umdrehungzahl benötigt wird, reicht dies aber nicht aus, da der Motor nach dem Ab­ schalten der Gleichstromquelle aufgrund des ihm innewohnen­ den Drehmomentes sich weiterbewegt, bis schließlich die ki­ netische Energie des Ankers aufgrund der Reibung vernichtet ist. Das gilt beispielsweise für die Einstellung von Auto­ sitzen oder Rückspiegeln in Kraftfahrzeugen, wo die er­ reichte Endstellung nicht davon abhängt, um wieviel Umdre­ hungen der Gleichstronmotor während seiner Energieversorgung zurücklegt, sondern wieviel Umdrehungen der antreibende Gleichstrommotor insgesamt zurückgelegt hat.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren der o.g. Gattung sowie eine Verwendung dieses Verfahrens anzugeben, durch welches die Zahl der Umdrehungen nicht nur während der Energieversorgung des Motors, sondern bis zum Stillstand des Motors gemessen werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die in dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs aufgeführten Merkmalskombination gelöst. Die Erfindung besteht im Prinzip also darin, nach dem Abschalten der Gleichstromquelle den Motor durch Kurzschließen der An­ kerwicklung als Generator zu betreiben und die Zahl der Strom- bzw. Spannungsamplituden abzuzählen, bis der Anker schließlich stillsteht.

Da die Höhe der Amplituden von der jeweiligen Ankerwicklung deren Drehzahl und anderen Aktoren schwankt, ist es vorteil­ haft, ausgehend von den Amplituden leicht zählbare Impulse abzuleiten, deren Größe von der Amplitudenhöhe weitgehend unabhängig ist. Hierzu empfiehlt sich in Weiterbildung der Erfindung eine Kombination von Verfahrensschritten nach An­ spruch 2. Diese Merkmalskombination basiert im Prinzip darauf, zuerst Störspannungen herauszufiltern und dann mit­ tels eines Gleichspannungsmittelwertes eine Schwelle zu bil­ den, die von den Amplituden überschritten werden muß, damit sie gezählt werden können. Das Überschreiten der Mittelwert­ schwelle wird mittels eines Komparators festgestellt, an dessen Ausgang solang Spannung abgegeben wird, wie die Amplitude den Mittelwert überschreitet. Die Höhe des Im­ pulses ist dabei durch den Aufbau des Komparators bestimmt, während seine Länge von der Dauer der Spannungsüberschrei­ tung abhängt. Die so geformten Impulse werden anschließend in einem Zähler summiert, wobei von dem Zähler nicht unter­ schieden werden kann, ob die abgezählten Impulse nun auf­ grund des Motors in seiner Schaltung als Motor oder als Generator beruhen. Wesentlich ist, daß der gefundene Zähler­ wert der Gesamtzahl der von einem Motor in einer Richtung zurückgelegten Umdrehungen entspricht, unabhängig ob dieser Motor nun aufgrund der Energieversorgung oder aufgrund sei­ ner kinetischen Energie ohne Energiezufuhr sich weiterbewegt hat.

Legt man dem erfindungsgemäßen Verfahren die Aufgabe zu­ grunde, der Zählerstellung einer bestimmten räumlichen Stel­ lung eines von dem Motor angetriebenen Gegenstandes gegen­ überzustellen, indem beispielsweise ein bestimmter Zähler­ stand einer bestimmten Position eines Autositzes oder eines Autospiegels gegenübersteht, so muß man berücksichtigen, daß der Motor sich in zwei Richtungen drehen kann und daß bei einer Rückbewegung zur Startposition hin auch der Zähler wieder zurückzuzählen ist. Um dies zu erreichen empfiehlt sich in Weiterbildung des Verfahrens eine Merkmalskom­ bination nach Anspruch 3.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist hervorragend geeignet, mit dem Motor eine vorgegebene Anzahl von Umdrehungen durch­ zuführen, die dann einer bestinmten Bewegungsstrecke des von dem Motor angetriebenen Gegenstands, z.B. eines Autositzes oder eines Autospiegels, entsprechen. Ausgehend von einer bestimmten Startposition der anzutreibenden Baugruppe, der der Zählerstand Null entspricht, läßt sich also jeder Lage der angetriebenen Baugruppe eine bestimmte Zählerstellung zuordnen. Damit wird es aber auch möglich, ausgehend von einer vorherigen Lage, unter Vorgabe einer die neugewünschte Lage kennzeichnenden Zählerstellung die Baugruppe in die neue gewünschte Lage zu befördern. Hierzu empfiehlt sich in Weiterbildung der Erfindung eine Merkmalskombination nach Anspruch 4, bei der in einem zweiten Zähler eine die ge­ wünschte Lage der Baugruppe beschreibende Zahl eingegeben und danach der Motor so weit angetrieben wird, bis der die tatsächlich umgeführten Umdrehungen zählenden erste Zähler der Sollzahl des zweiten Zählers gleich ist. Auf diese Weise läßt sich also beispielsweise bei der Nutzung des Fahrzeuges durch mehrere Bedienungspersonen in einfacher Weise durch Vorgabe personenbezogener Daten Sitzhöhe, Spiegelstellung sowie die Lage anderer motorbetriebener Baugruppen einstel­ len.

Um nun in einfacher Weise zu erreichen, daß bei einer Ver­ stellung der Baugruppen in Richtung Anfangslage auch die Drehrichtung des Motors umgekehrt wird, empfiehlt sich in Weiterbildung der Erfindung die Merkmalskombination nach An­ spruch 5.

Anspruch 8 gibt eine zweckmäßige Ausgestaltung einer für die Durchführung des erfinderischen Verfahrens geeigneten Schal­ tung an, die einen besonders einfachen Aufbau besitzt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend an­ hand der Zeichnung erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Schaltungsanord­ nung zur Einstellung einer vorbestimmten Anzahl von Motorumdrehungen und

Fig. 2 einen mehr ins einzelne gehenden Auszug der Schal­ tungsanordnung nach Fig. 1 mit einer etwas abgeän­ derten Impulsformung.

Fig. 1 zeigt einen Motor M, welcher eine nicht dargestellte Baugruppe über eine Antriebswelle in ihrer Lage verändert. Diese Baugruppe kann beispielsweise ein Spiegel, ein Auto­ sitz oder die Scheibe eines PKW sein.

Der Motor M wird über eine Umschalteinrichtung U mit Energie versorgt, die mit den beiden Polen der Autobatterie verbun­ den ist. In Fig. 1 ist der Umschaltkontakt 3 in seiner Ruhe­ stellung gezeigt, in der er mit dem Ruhekontakt 5 verbunden ist. Der Ruhekontakt 5 ist weiterhin an Masse angeschlossen und gleichzeitig mit dem negativen Pol der Autobatterie ver­ bunden. In der in Fig. 1 gezeigten Stellung ist somit der Motor stromlos und befindet sich in seiner Ruhelage.

Wird nun, um eine gewünschte Lageänderung der Baugruppe her­ beizuführen, der Umschaltkontakt 3 auf den Arbeitskontakt 4 gelegt, so fließt ein Strom von dem Pluspol der Batterie über den Arbeitskontakt 4, den ersten Ankeranschluß 7, die Ankerwicklung selbst, den zweiten Ankeranschluß 8 und über einen Widerstand zur Masse. Bei dem Widerstand kann es sich sowohl um einen ohm′schen Widerstand W, aber auch um eine Induktivität I handeln. Der Sinn der in den Stromkreis ein­ gefügten Bauelemente W bzw. I ist es, eine dem Strom in dem genannten Stromkreis entsprechende Spannung an dem zweiten Ankeranschluß 8 abgreifen zu können. Die Auskopplung dieser Spannung kann aber nicht nur direkt, wie in Fig. 1 gezeigt, sondern auch auf induktivem Wege, wie beispielsweise in Fig. 2 angedeutet, geschehen.

Aufgrund der Ankerdrehungen entsteht an dem Verbindungspunkt 8 eine im wesentlichen sinusförmige Wechselspannung, wobei die Anzahl der Amplituden pro Umdrehungen von der Anzahl der Wicklungen des Motors abhängt. Im vorliegenden Fall sei ver­ einfachend angenommen, daß zwischen den Anschlüssen 7 und 8 nur eine einzige Wicklung liegt, so daß jede Motorumdrehung einer Sinusschwingung entspricht. Betrachtet man daher nur die in positiver Richtung oder die in negativer Richtung verlaufenden Amplituden, so entspricht jede Amplitude einer Umdrehung des Motors. Über ein Filter F werden kurze und hochfrequente Störspannungen herausgefiltert, wobei das Fil­ ter F als Tiefpaß ausgestaltet ist. Von der Wechselspannung wird nun von dem Integrierglied M ein Mittelwert gebildet, der zwischen den beiden Amplituden liegt und der bei einem idealen, um die Nullinie schwankenden Spannungsverlauf auf der Nullinie liegt. In der Praxis wird der Mittelwert ge­ ringfügig gegenüber der Nullinie verschoben sein und nur un­ gefähr in der Mitte zwischen den beiden in negativer und po­ sitiver Richtung ragenden Amplituden liegen.

Über einen Komparator K wird nun der aus dem Integrierglied kommende Mittelwert mit der gefilterten Sinusschwingung ver­ glichen und am Ausgang des Komparators nur dann ein vorgege­ bener Spannunsgwert abgegeben, wenn die Sinusspannung größer ist als der Mittelwert. Es entsteht im Idealfalle also ein Spannungsverlauf mit Rechteckimpulsen, wobei die Impulsdauer genau so groß ist wie die zeitlichen Zwischenräume zwischen den Impulsen. Die von dem Komparator K abgegebenen Impulse werden in einem Zähler Z 10 gezählt und da jeder Impuls in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel einer Umdrehung ent­ spricht, gibt die in Z 1 angezeigte Zahl den Wert der vom Mo­ tor M zurückgelegten Umdrehungen an.

Eine Verbesserung der Schaltungsanordnung in Fig. 1 läßt sich dadurch erreichen, daß in dem Zähler Z 1 zwei Eingänge vorgesehen sind, von denen der eine vorwärts zählt und der andere rückwärts zählt. Diese beiden in Fig. 1 nicht darge­ stellten Eingänge werden über einen ebenfalls aus Fig. 1 nicht ersichtlichen Umschalter mit dem Komparator K verbun­ den. Weiterhin ist über einen zusätzlichen in Fig. 1 nicht dargestellten Umschalter die Umpolung der Batterieanschlüsse an den Kontakten 3 und 4 möglich. Durch die in Fig. 1 nicht dargestellte Maßnahme läßt sich erreichen, daß beim Umpolen der Batterie die in Z 1 ankommenden Impulse rückwärts gezählt werden, so daß bei einer gegensinnigen Drehung des Motors M und damit einer Rückwärtsbewegung der Baugruppe auch die in dem Zähler Z 1 gespeicherte Zahl rückwärts gezählt wird. Da­ mit entspricht die Lage der in Vorwärts- und Rückwärtsrich­ tung bewegbaren Baugruppe jeweils einer ganz bestimmten Zäh­ lerstellung in dem Zähler Z 1.

Vielfach wird es nun erwünscht sein, die Lagen einer Bau­ gruppe in eine bestimmte vorgegebene Stellung zu bringen, die auf die Bedienungsperson, beispielsweise des Fahrzeuges, bezogen ist. Wird beispielsweise ein Kraftfahrzeug von meh­ reren Bedienungspersonen betrieben, so ist es vorteilhaft, wenn durch die neuübernehmende Bedienungsperson nur eine be­ stimmte ihre bekannte Zahl eingestellt werden kann, so daß dann die Spiegel, die Sitze o.ä. in eine für die neue Bedie­ nungsperson geeignete Stellung fahren.

In Fig. 1 ist dies mit Hilfe eines Impulsgebers IG möglich, der so lange betätigt wird, bis in einem Sollwertzähler Z 2 die gewünschte Sollwertzahl eingestellt ist. Diese Sollwert­ zahl wird anschließend in einem Vergleicher V, mit der die tatsächliche Lage darstellenden Istwertzahl in Z 1 verglichen und bei Gleichheit wird vom Ausgang des Vergleichers V der Umschaltkontakt reihumgelegt, so daß der Motor stromlos wird.

Beim Abschalten des Motors tritt aber nun folgendes Problem auf. Durch die Abschaltung der Energieversorgung kann der Motor nicht plötzlich stillgesetzt werden, sondern er läuft infolge seines Drehimpulses so lange weiter, bis die ihm in­ neruhende kinetische Energie durch Reibung verbraucht ist. Damit werden von dem Motor keine Stromschwankungen mehr ge­ messen werden können, da sein Kreis geöffnet ist. Infolge dessen wird man bei einer Strommessung der Amplituden zu ei­ ner Differenz zwischen den tatsächlich von dem Motor durch­ geführten Umdrehungszahlen und dem Stand des Zählers Z 1 kom­ men. Hier setzt nun ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung ein, in dem im Falle der Abschaltung des Motors dessen Ankerwicklung nicht nur einfach aufgetrennt, sondern durch die Verbindung des Umschaltkontaktes 3 über den Ruhe­ kontakt 5 mit Masse und der Verbindung des zweiten Anschlus­ ses ebenfalls mit Masse die Ankerwicklung kurzgeschlossen und damit der Anker als Generator betrieben wird. Hierdurch treten zwei Vorteile auf. Zum einen wird der Fortlauf der Motorwelle verkürzt, da durch die Generatorwirkung des An­ kers der Lauf des Motors schneller abgebremst wird. Zum an­ deren treten an dem zweiten Ankeranschluß 8 durch den im An­ ker umlaufenden Strom Spannungsschwankungen auf, die ebenso behandelt werden können, wie die bei dem an die Batterie an­ geschlossenen Motor. Damit entspricht der Zählerstand des Zählers Z 1 wieder der tatsächlichen Umdrehungszahl des Mo­ tors M. Die Diode D dient üblicherweise zum Kurzschließen von Anlaufspitzen des Motors M.

Fig. 2 zeigt auszugsweise die Schaltung von dem Filter F und dem Integrierglied M. Das Integrierglied ist ein Tiefpass, der aus dem Kondensator C 1 und den beiden Widerständen R 1 und R 2 besteht. An dem zu dem Komparator K hin gerichteten Ausgang des Widerstands R 2 tritt eine gefilterte Wechsel­ spannung auf, von der über die beiden Dioden D 1 und D 2 nur die jeweilige Schwellwertspannung dieser Dioden zum Kom­ parator K durchgelassen wird. Da der Komparator nur dann eine Spannung an seinem Ausgang abgibt, wenn die Spannung an seinem positiven Eingang größer ist als an seinem neagtiven, werden wiederum die im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebe­ nen, in positiver Richtung verlaufenden Impulse durch den Komparator K durchgelassen. Über die Widerstände R 3 und R 4 ist die Schwelle des negativen Eingangs des Komparators ein­ stellbar.

Bei der Arbeitsweise der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 kann noch folgendes Problem auftreten. Da der Motor abge­ schaltet wird, wenn die Zählerstände von Z 1 und Z 2 einander gleich sind, läuft nach der Abschaltung der Motor noch um eine regelmäßig gleiche Umdrehungszahl weiter, bis er zum Stillstand kommt. Diese Nachlaufumdrehungen werden von Z 1 festgestellt, so daß bei dem beschriebenen Verfahren die Baugruppe um eine bestimmte Anzahl von Umdrehungen weiter befördert wurde, als durch Z 2 vorgegeben. Anders ausge­ drückt, ist bei schließlichem Stillstand des Motors die Zäh­ lerstellung von Z 1 um die Anzahl der Nachlaufumdrehungen größer als der von Z 2 vorgegebene Wert. Es ist daher zweck­ mäßig, diesen Nachlaufwert bei der Sollwert-Endeinstellung durch den Impulsgeber IG zu berücksichtigen, indem man von vornherein Z 2 um die Nachlaufdrehzahl kleiner einstellt. Auf diese Weise wird der in Z 2 eingestellte Sollwert immer um einen bestimmten Betrag kleiner eingestellt als der tatsäch­ lich erwünschte Sollwert, der an der Einstellskala von IG vorgegeben wird.

Claims (7)

1. Verfahren zur Messung der Anzahl der Umdrehungen eines Gleichstrommotors (M), bei dem an einem Anschluß (8) der gleichstromgespeisten Ankerwicklung eine Meßeinrichtung (FMKZ) zum Zählen der von der Zahl der Motorumdrehungen abhängigen Strom- oder Spannungsamplituden angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Abschalten der Gleichspannungsquelle die Ankerwicklung (7, 8) ggf. über einen Widerstand (I, W) kurzgeschlossen und danach die in dem so gebildeten Stromkreis (5, 3, 7, 8, I bzw. W) aufgrund der auslaufenden Ankerdrehung re­ sultierenden Strom- bzw. Spannungsschwankungen bis zum Stillstand der Ankerwicklung abgezählt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die an einem Widerstand (I bzw. W) im Ankerstromkreis (5, 3, 7, 8, I bzw. W) gemessenen, den Stromamplituden entsprechenden Spannungsamplituden gefil­ tert (F) und über ein Komparator (K) mit einem Mittelwert (M) der Spannung verglichen werden und daß die beim Über­ schreiten der Mittelwertspannung geformten Impulse in ei­ nem Zähler (Z 1) summiert werden, so daß die Änderung des Zählerstandes ein Maß für die von dem Anker (7, 8 ) in ei­ ner Richtung zurückgelegten Umdrehungen ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Impulse in dem Zähler sub­ trahiert werden, wenn die Stromrichtung der angeschlos­ senen Gleichstromquelle sich umkert.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulszahl des Zählers (Z 1) mit der wahlweise vorgegebenen Zahl eines zweiten Zählers (Z 2) verglichen und die Stromquelle dann abgeschaltet wird, wenn die im ersten Zähler (Z 1) ge­ speicherte Zahl gleich der im zweiten Zähler (Z 2) vorge­ gebene Impulszahl ist oder von dieser um einen konstanten Betrag abweicht.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Polung der Stromquelle von dem Vorzeichen des Differenzwertes der Zählerstände (Z 1, Z 2) bestimmt ist.

6. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 in einem Fahrzeug, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Gleichstromquelle durch die Batterie des Fahrzeugs gebildet und der Gleichstrom zur Verstellung einer motorgetriebenen Baugruppe, insbesondere der Sitzverstellung oder dem Spiegelantrieb, dient.

7. Schaltung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Umschalter (U) vorgesehen ist, dessen Arbeitskontakt (4) mit dem positiven Pol der Bat­ terie, dessen Ruhekontakt (5) mit dem negativen Pol der Batterie sowie Masse und dessen Umschaltkontakt (3) mit einem Ankeranschluß (7) verbunden ist und daß der andere Ankeranschluß über einen Widerstand (W) oder eine Drossel (I) mit Masse verbunden ist und daß an dem Widerstand (W) bzw. der Drossel (I) die Span­ nungsschwankungen direkt bzw. induktiv abgegriffen und einer Meßeinrichtung (F, M, K, Z 1) zugeführt werden, die in einem Zähler (Z 1) die Zahl der gemessenen Spannungs­ amplituden speichert.