DE3834017A1

DE3834017A1 - Verfahren und einrichtung zur drehzahlmessung

Info

Publication number: DE3834017A1
Application number: DE3834017A
Authority: DE
Inventors: Hans Prof Dr Ing Kahlen; Hans Thomas Dipl Ing Drumm; Karl Dr Ing Dr Falk
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Germany; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB AG Germany; ABB AB
Priority date: 1988-10-06
Filing date: 1988-10-06
Publication date: 1990-04-12

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur berüh rungslosen Messung der Drehzahl eines Elektromotors. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens.

Verfahren zur berührungslosen Drehzahlmessung sind aus elektrische energie-technik, 25. Jahrgang, 1980, Nr. 5, Seite 215 bis 218, Aufsatz von R. Hübner "Berührungslose Messung von Drehzahl und Geschwindigkeit", bekannt. Da bei werden bevorzugt Impulsgebersysteme verwendet, die aus einer gezahnten Impulsgeberscheibe und einem Sensor zur Abtastung der Scheibe bestehen. Der Sensor liefert Impulse, deren zeitlicher Abstand umgekehrt proportional zur Drehzahl der Scheibe ist. Diese Impulse sind gut geeignet zur Weiterverarbeitung in digital arbeitenden elektronischen Einrichtungen, beispielsweise in digita len Regeleinrichtungen von stromrichtergespeisten Elek tromotoren.

Für solche stromrichtergespeiste Elektromotoren in hoch dynamischen Antriebssystemen werden Drehzahlmeßeinrich tung benötigt, die eine hohe Impulszahl je Umdrehung liefern.

Die Forderung nach einer hohen Impulszahl je Umdrehung kann mit optischen Impulsgebersystemen erfüllt werden. Optische Gebersysteme sind jedoch empfindlich gegenüber Verschmutzungen und müssen deshalb aufwendig gekapselt werden. Sie erfordern eine eigene Impulsgeberscheibe und ein freies Wellenende für die Anordnung am Motor.

Impulsgebersysteme, die mit induktiven oder kapazitiven Annäherungsschaltern als Sensor arbeiten, sind wesent lich unempfindlicher gegenüber Verschmutzungen, erlauben aber im Vergleich zu optischen Gebern nur eine wesent lich niedrigere Schaltfrequenz und eine geringere räum liche Auflösung. Um die Impulszahl zu erhöhen, was be sonders bei kleinen Drehzahlen von Bedeutung ist, wird in elektro-anzeiger, 36. Jahrgang, 1983, Nr. 23/24, Sei te 33 bis 34, Aufsatz vom B. Mühle, "Optoelektronischer Impulsgeber" vorgeschlagen, die vom Geber gelieferten Impulse zu vervielfachen. Für hochdynamische Antriebssy steme ist jedoch auch ein solches Vorgehen zur Impuls vervielfachung nicht zufriedenstellend, weil bei Dreh zahländerungen trotz hoher Impulszahl die jeweilige tat sächliche Drehzahl nur mit einer erheblichen Verzögerumg ermittelt werden kann.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrun de, ein Verfahren zur Drehzahlmessung bei Elektromotoren anzugeben, das es erlaubt, Drehzahländerungen besser zu erfassen und das es trotzdem ermöglicht, mit einfachen Gebersystemen zu arbeiten. Außerdem soll eine gegen me chanische Einflüsse umempfindliche Gestaltung der Meß einrichtung bzw. des Elektromotors zur Durchführung des Verfahrens angegeben werden.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren nach dem Anspruch 1 gelöst. Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens sind in weiteren Ansprüchen angegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren macht die Verwendung von induktiven oder kapazitiven Annäherungsschaltern für Antriebssysteme mit hochdynamischer Regelung möglich. Es arbeitet mit einer Impulsvervielfachung, wobei jedoch die zwischen den gemessenen Impulsen liegenden Impulse bei Drehzahländerungen keine gleichen Abstände haben. Die Impulsabstände entsprechen zumindest näherungsweise den tatsächlichen Drehzahlen im jeweiligen Zeitab schnitt. Zur Berechnung dieser Impulsabstände sind auf vorteilhafte Weise nur Meßwerte erforderlich, die bei geregelten Antrieben ohnehin benötigt werden, so daß für ihre Erfassung kein Zusatzaufwand erforderlich ist. Es handelt sich dabei außer den Impulsen des Impulsgebers um den Motorstrom und die Motorspannung.

Für Anwendungen des Verfahrens in Motoren mit Kurz schlußläufer wird vorgeschlagen, auf eine besondere Im pulsgeberscheibe zu verzichten und statt dessen einen Kurzschlußring des Läufers so zu gestalten, daß er als Geberscheibe benutzt werden kann. Dazu kann der Kurz schlußring mit zahnförmigen Vorsprüngen in axialer oder radialer Richtung versehen werden. Da diese Kurzschluß ringe im allgemeinen gegossen werden, erfordert diese Erweiterung nur eine einmalige Änderung der Gußform. Das zeit- und materialaufwendige Anbringen von speziellen Impulsgeberscheiben wird gespart. Da keine Mehrkosten entstehen, können auch Maschinen, für die vorerst keine Drehzahlerfassungseinrichtung geplant ist, mit den vor geschlagenen Kurzschlußringen ausgerüstet werden. Eine Einrichtung zur Drehzahlerfassung kann dann, wenn sie benötigt wird, ohne Zerlegen des Motors mit geringem Aufwand nachgerüstet werden.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der gezahnte Rand des Kurzschlußrings durch Aufpressen einer Kunst stoff-Füllung oder einer haubenförmigen Kunststoff-Ab deckung geglättet. Dadurch werden Geräusche bei schnell aufenden Maschinen und das Ablagern von Schmutz verhin dert. Die vorgeschlagene Gestaltung des Kurzschlußringes von Drehstrom-Kurzschlußläufermotoren ist generell ge eignet zur Realisierung einer Drehzahlmeßeinrichtung, auch wenn auf eine Impulsvervielfachung mit Adaption der Impulsabstände verzichtet wird.

Eine ausführliche Beschreibung der Erfindung erfolgt anhand der Zeichnung und der Ausführungsbeispiele.

Es zeigen:

Fig. 1 das Blockschema einer Drehzahlmeßeinrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah rens,

Fig. 2 Ausgangsimpulse der Impulsvervielfacherstufe während einer Beschleunigungsphase.

Fig. 3 Ausbildung des Kurzschlußrings eines Kurz schlußläufermotors als Impulsgeberscheibe für axial angeordnete Annäherungsschalter,

Fig. 4 wie Fig. 3 jedoch für radial angeordnete Annä herungsschalter,

Fig. 5 Kurzschlußring mit aufgepreßter Kunststoff- Füllung.

Fig. 1 zeigt das Blockschema einer Drehzahlmeßeinrich tung, bei der von einem Impulsgebersystem, das aus einer Impulsgeberscheibe 1 und einem Annäherungsschalter 2 als Sensor besteht, Eingangsimpulse E zu einer elektroni schen Impulsvervielfacherstufe 3 gegeben werden. Der Impulsvervielfacherstufe 3 ist außerdem ein der Motor spannung U entsprechendes Meßsignal aus einer Spannungs meßeinrichtung 4 und ein dem Motorstrom I entsprechendes Meßsignal aus einer Strommeßeinrichtung 5 zugeführt. Am Ausgang der Impulsvervielfacherstufe 3 abgegebene Aus gangsimpulse A sind einer Regeleinrichtung 6 eines dreh zahlgeregelten Antriebssystems zugeführt.

Die Impulsvervielfacherstufe 3 kann z.B. aus einem Ein- Chip-Mikrocontroller aufgebaut sein, der die erforderli chen A/D-Wandler zur Digitalisierung des Stromsignals und des Spannungssignals enthält, sowie Zähler zur ge nauen Erfassung der zeitlichen Abstände der Eingangsim pulse E. Die Abstände der Ausgangsimpulse A werden mit Hilfe des Mikroprozessors im Mikrocontroller berechnet.

Bei der Generierung der Ausgangsimpulse A werden positi ve und negative Beschleunigungsvorgänge berücksichtigt, so daß eine adaptive Impulsvervielfachung gegeben ist. Dem Verfahren liegt die Überlegung zugrunde, daß der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgendem Impulsen (gilt für Eingangsimpulse und als Vorgabe für die Gene rierung der Ausgangsimpulse) abhängt von der momentanen Drehzahl, dem Drehmomemt, dem Lastmoment und dem Träg heitsmoment. Die momentane Geschwindigkeit kann aus dem Abstand vorausgegangener Impulse bestimmt werden. Das Drehmoment läßt sich aus der Drehzahl, dem Motorstrom und der Motorspannung ermitteln. Das Last- und das Träg heitsmoment ändern sich im Normalbetrieb nicht sprung haft, so daß sie aus den Abständen vorausgegangener Ein gangsimpulse E ermittelt werden können. Beim Ein- und Auskuppeln von Lasten können zwar sprunghafte Last- und Trägheitsmomentänderungen auftreten, diese werden aber nach dem folgenden Eingangsimpuls erfaßt und in kurzer Zeit ausgeregelt. Die Generierung der Ausgangsimpulse A erfolgt auf der Grundlage der nachstehenden Zusammenhän ge.

Nach der Formel

M = P/ ω (1)

mit
M = Drehmoment,
P = Motorleistung,
ω = Winkelgeschwindigkeit
läßt sich das Drehmoment berechnen, da aus dem zeitli chen Abstand der Eingangsimpulse E die Winkelgeschwin digkeit ermittelt werden kann und die Motorleistung P aus den gemessenen Strom- und Spannungswerten. Unter Vernachlässigung der im Motor auftretenden Verluste kann für die Motorleistung das Produkt aus Motorstrom I und Motorspannung U eingesetzt werden, wobei die Strom- und Spannungswerte bei einem umrichtergespeisten Motor im Gleichstrom bzw. Gleichspannungszwischenkreis gemessene Mittelwerte sind. Die Formel für das Drehmoment M lautet dann

M = U × I/ ω (2)

Die Änderung der Winkelgeschwindigkeit ω und damit der Drehzahl n des Motors hängt vom Drehmoment M und dem Trägheitsmoment R ab gemäß der Formel

Da die Intervallzeit T (= zeitlicher Abstand zwischen zwei Impulsen) umgekehrt proportional zur Drehzahl n ist, erhält man für die Änderung der Intervallzeit:

Durch Einsatz der Formel (3) in Formel (4) enthält man Formel

Mit Hilfe dieser Änderung der Intervallzeit kann jeweils die nächste Intervallzeit T bis zum folgenden generier ten Impuls berechnet werden nach der Formel

mit
T = Intervallzeit für den nächsten zu generierenden Ausgangsimpuls A,
T _alt = Intervallzeit zwischen vorausgegangengen Ausgangsimpulsen A,
K = Konstante, die von dem gewählten Faktor der Impulsvervielfachung und dem Trägheitsmoment der Maschine abhängt,
= Änderung der Intervallzeit wie in Formel (5) angegeben.

In Fig. 2 sind Ausgangsimpulse A in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt, die am Ausgang der Impulsvervielfa cherstufe 3 auftreten und die auf die vorbeschriebene Weise generiert wurden. Bei dem gezeigten Beispiel han delt es sich um eine Beschleunigungsphase, wie aus dem zunehmend kleiner werdenden Abstand der generierten Aus gangsimpulse A ₂ bis A ₁₀ zu erkennen ist. Die Ausgangsim pulse A ₁ und A ₁₁ entsprechen den Eimgangsimpulsen E.

Da nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eine große An zahl von Impulsen je Motorumdrehung generiert werden kann, wobei die Impulsabstände bei Drehzahländerungen adaptiert sind, kann zur Eingangsimpulserzeugung ein einfaches und robustes Gebersystem mit einer gezahnten Scheibe und einem Annäherungsschalter verwendet werden, wobei nur eine relativ geringe Auflösung und niedrige Schaltfrequenz gegeben sind.

Es wird vorgeschlagen, bei einem Asynchronmotor mit Kurzschlußläufer und käfigförmiger Kurzschlußwicklung den üblichen Kurzschlußring zugleich als Geberscheibe eines Impulsgebersystems zu verwenden.

Fig. 3 zeigt eine solche Ausgestaltung einer ersten Va riante eines Kurzschlußringes 7 eines Elektromotors 8. Der Ring 7 ist mit in axialer Richtung vorspringenden Zähnen 9 versehen. Gegenüber den Zähnen 9 ist ein Annä herungsschalter 10 angeordnet, der z.B. in eine Gewinde bohrung im Gehäuse 11 des Motors 8 eingeschraubt sein kann.

Fig. 4 zeigt einen Motor 8, bei dem eine zweite Variante eines Kurzschlußrings 12 mit radialen Zähnen 13 darge stellt ist. Bei diesem Aufbau des Impulsgebersystems ist der Annäherungsschalter 10 in radialer Richtung gegen über den Zähnen 13 im Gehäuse 11 angeordnet.

Fig. 5 zeigt schließlich einen Läufer 17 mit einer vor teilhaften Ausgestaltung eines Kurzschlußrings 14, der radiale Zähne 15 hat, wobei die Zwischenräume zwischen den Zähnen 15 durch eine aufgepreßte Kunststoff-Füllung 16 ausgefüllt sind. Auf entsprechende Weise können auch die Zwischenräume bei der in Fig. 3 dargestellten Aus führung des Kurzschlußringes mit Kunststoff ausgefüllt werden.

Claims

1. Verfahren zur Messumg der Drehzahl eines Elek tromotors mit Hilfe eines Impulsgebersystems, das dreh zahlabhängige Eingangsimpulse erzeugt und dessen Impulse in einer elektronischen Impulsvervielfacherstufe ver vielfacht werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Im pulsvervielfachung unter Berücksichtigung einer Be schleunigung oder Verzögerung der Motordrehzahl in sol cher Weise adaptiert durchgeführt wird, daß auch während einer Drehzahländerung der zeitliche Abstand von Aus gangsimpulsen der Impulsvervielfacherstufe wenigstens annähernd umgekehrt proportional zur jeweiligen tatsäch lichen Drehzahl ist, wobei ein zur Adaption der Impuls abstände benutzter Wert der Drehzahländerung ermittelt wird aus gemessenen Abständen vorausgegangener Eingangs impulse, dem Motorstrom und der Motorspannung.

2. Drehzahlmeßeinrichtung zur Durchführung des Ver fahrens nach Anspruch 1, wobei ein Impulsgebersystem mit einem gezahnten Geberrad und einem in entsprechendem Abstand angeordneten feststehenden Impulsaufnehmer vor gesehen ist und in einer Impulsvervielfacherstufe Aus gangsimpulse generiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsvervielfacherstufe (3) außer Eingangsim pulsen (E) aus dem Impulsgebersystem (1, 2) zusätzlich dem Motorstrom (I) und der Motorspannung (U) entspre chende Meßwerte zugeführt sind, und die Impulsvervielfa cherstufe (3) auch bei Drehzahländerungen Ausgangsimpul se (A) abgibt, deren zeitlicher Abstand wenigstens annä hernd umgekehrt proportional zur tatsächlichen Drehzahl ist.

3. Drehzahlmeßeinrichtung nach Anspruch 2, wobei die Drehzahlmeßeinrichtung in einen Drehstromkurzschluß läufermotor eingebaut ist, dessen Kurzschlußwicklung als Käfig mit Kurzschlußringen ausgebildet ist, dadurch ge kennzeichnet, daß ein Kurzschlußring (12, 14) als gezahn tes Geberrad ausgebildet ist, wobei am Kurzschlußring (12, 14) entweder in axialer oder in radialer Richtung Zähne (9, 13) angeformt sind.

4. Drehzahlmeßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung einer glatten Ober fläche am gezahnten Kurzschlußring (12, 14) Zwischenräume zwischen den Zähnen (9, 13) am Kurzschlußring (12, 14) mit einer Kunststoff-Füllung (16) ausgefüllt sind oder eine Kunststoffabdeckung am gezahnten Kurzschlußring (12, 14) angebracht ist.

5. Drehstromkurzschlußläufermotor, dessen Kurz schlußwicklung im Läufer als sogenannter Käfig mit Stä ben und Kurzschlußringen ausgebildet ist, dadurch ge kennzeichnet, daß wenigstens ein Kurzschlußring mit ei ner axialen oder radialen Zahnung versehen ist, die den Kurzschlußring als Geberscheibe eines Impulsgebersystems zur Drehzahlmessung verwendbar macht.

6. Drehstromkurzschlußläufermotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Zwischenräume zwischen den Zähnen des Kurzschlußringes mit einer Kunststoffüllung ausgefüllt sind oder eine haubenförmige Abdeckung des gezahnten Kurzschlußrings vorgesehen ist.