DE4437750A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Messung der Drehzahl eines Elektromotoros - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Messung der Drehzahl eines Elektromotors, dem eine getaktete Betriebsspannung zugeführt wird.

Um die Drehzahl eines Elektromotors zu messen, besteht neben der Anordnung zusätzlicher Drehzahlsensoren die Möglichkeit, die im Motor erzeugte Generatorspannung, auch elektromotorische Kraft oder EMK genannt, zu messen. Bei pulsierend mit Betriebsspannung beaufschlagten Motoren ist es bekannt, die Intervalle zwischen den Impulsen für derartige Messungen zu verwenden. Während der Messungen darf jedoch kein Strom durch den Elektromotor fließen, damit der ohmsche Spannungsabfall an der Motorwicklung nicht das Ergebnis verfälscht. Außerdem stellt sich wegen der Induktivität der Motorwicklung bei Stromänderungen eine induzierte Spannung ein, die ebenfalls das Ergebnis verfälschen kann. Die Messung in den Impulsintervallen ist deshalb nur bei einer niedrigen Impulsfrequenz möglich.

Ein Betrieb eines Elektromotors mit einer pulsierenden und in der Regel pulsbreitenmodulierten Betriebsspannung ist jedoch mit einer geringen Verlustleistung nur mit einer relativ hohen Frequenz möglich, bei welcher der Strom durch den Elektromotor während der Intervalle nur geringfügig abfällt. Durch das Aufrechterhalten des Stromflusses durch den Freilaufkreis verbleibt die magnetische Energie auch während der nicht bestromten Phase in den Motorwicklungen. Die für einen derartigen Betrieb erforderliche Frequenz ist von den Eigenschaften des Elektromotors, insbesondere von der Induktivität der Wicklung, abhängig und kann beispielsweise 10 kHz betragen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Messung der Drehzahl eines Elektromotors anzugeben, welche mit geringem technischen Aufwand für einen pulsierenden Betrieb mit hoher Frequenz anwendbar sind.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß die Betriebsspannung jeweils nach einer Vielzahl von Impulsen unterbrochen wird und daß während der Unterbrechungen die Spannung am Elektromotor ausgewertet wird.

Zur Berücksichtigung einer durch die Induktivität der Wicklung des Elektromotors gegebenen Einschwingzeit ist bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, daß die Auswertung innerhalb jeweils einer Unterbrechung eine vorgegebene Zeit nach dem Abschalten der Betriebsspannung beginnt.

Durch die endliche Zahl von Polen ist die EMK eines Elektromotors mit einer Welligkeit behaftet. Um durch die Phasenlage dieser Welligkeit im Verhältnis zu der Messung der Spannung am Motor bedingte Zufälligkeiten auszuschließen, kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ferner vorgesehen sein, daß die Auswertung durch Messung der Spannung erfolgt, daß sich die Messung über eine weitere vorgegebene Zeit innerhalb der Unterbrechung erstreckt, wobei mehrere dabei gewonnene Meßwerte gemittelt werden. Es ist jedoch auch möglich, die Welligkeit zur Drehzahlmessung dadurch auszunutzen, daß die während der Unterbrechung auftretende Spannung am Elektromotor einer Frequenzanalyse unterzogen wird.

Wie bei dem bekannten getakteten Betrieb des Elektromotors richtet sich die Frequenz nach Eigenschaften des Motors. Die Häufigkeit der Unterbrechung zur Durchführung der Drehzahlmessung kann vom Fachmann je nach Umständen des Einzelfalles gewählt werden. Je seltener Unterbrechungen erfolgen, desto weniger wird die maximale Leistung gegenüber einem ohne Unterbrechung vorgenommenen getakteten Betrieb geschmälert. Jedoch ist eine minimale Häufigkeit der Unterbrechung, das heißt der Messung der Drehzahl, durch die Eigenschaften des die Drehzahlmessung auswertenden Regelkreises bestimmt.

Bei einem praktisch ausgeführten Beispiel hat es sich bewährt, daß die Betriebsspannung mit einer Frequenz von etwa 10 kHz getaktet und nach jeweils etwa 50 ms für 5 ms unterbrochen wird.

Eine vorteilhafte Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß zwei steuerbare Schalter derart mit dem Elektromotor verbunden sind, daß der eine Schalter den Elektromotor kurzschließt und der andere Schalter den Elektromotor mit Betriebsspannung beaufschlagt, daß die Schalter zueinander invertiert von einem Mikrocomputer steuerbar sind und daß der Verbindungspunkt zwischen den Schaltern und dem Elektromotor, vorzugsweise über einen Spannungsteiler, mit einem Analogeingang des Mikrocomputers verbunden ist.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon ist schematisch in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und nachfolgend beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild des Ausführungsbeispiels,

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der Spannung U am Elektromotor und

Fig. 3 den zeitlichen Verlauf des Stromes I.

Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 wird ein Elektromotor 1 über zwei steuerbare Schalter 2, 3 von einem Mikrocomputer 4 gesteuert. Die steuerbaren Schalter 2, 3 können vorzugsweise von MOS-Feldeffekttransistoren gebildet sein. Während der Schalter 2 zwischen dem von Masse abgewandten Anschluß des Motors und einem Anschluß 5 für die Betriebsspannung +Ub geschaltet ist, überbrückt der Schalter 3 den Elektromotor 1. Steuereingänge der Schalter 2, 3 sind an Ausgänge des Mikrocomputers 4 angeschlossen, wobei der Schalter 2 ein pulsbreitenmoduliertes Signal PWM und der Schalter 3 ein dazu invertiertes Signal PWM erhält. Über die Impulsbreite kann die Drehzahl bzw. das Drehmoment des Elektromotors 1 gesteuert werden. Derartige Schaltungsanordnungen sind für verschiedene Anwendungen bekannt.

Zu einer Regelung der Drehzahl ist eine Messung der Ist-Drehzahl erforderlich. Dazu wird bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung die Spannung U über einen aus zwei Widerständen 7, 8 bestehenden Spannungsteiler einem Eingang eines im Mikrocomputer 4 enthaltenen Analog/Digital-Wandlers 9 zugeführt.

Die Messung der Drehzahl erfolgt über die Messung der im Motor erzeugten elektromotorischen Kraft Ue (EMK). Um diese frei von anderen Spannungen, beispielsweise der am Innenwiderstand des Motors abfallenden stromproportionalen Spannung oder der in der Induktivität der Motorwicklung durch Änderungen des Stroms erzeugten Spannung, messen zu können, werden die dem Elektromotor 1 zugeführten Spannungsimpulse für eine Zeit T (Fig. 2) unterbrochen. In dieser Zeit sinkt der Strom durch den Elektromotor 1 auf 0, während die Spannung nach einer Übergangszeit den Wert Ue der EMK einnimmt. Durch eine begrenzte Anzahl von Polen des Elektromotors 1 weist die EMK eine Welligkeit auf.

Die Drehzahl kann nun über die Größe der Spannung Ue mit Hilfe eines geeigneten Programms im Mikrocomputer 4 ermittelt werden, wobei innerhalb der Meßzeit Tm mehrere Abtastwerte erfaßt und gemittelt werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, durch an sich bekannte Frequenzanalyseverfahren die Frequenz der Wechselspannung zu messen.

Claims (6)

1. Verfahren zur Messung der Drehzahl eines Elektromotors, dem eine getaktete Betriebsspannung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsspannung jeweils nach einer Vielzahl von Impulsen unterbrochen wird und daß während der Unterbrechungen die Spannung am Elektromotor ausgewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung innerhalb jeweils einer Unterbrechung eine vorgegebene Zeit nach dem Abschalten der Betriebsspannung beginnt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung durch Messung der Spannung erfolgt, daß sich die Messung über eine weitere vorgegebene Zeit innerhalb der Unterbrechung erstreckt, wobei mehrere dabei gewonnene Meßwerte gemittelt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die während der Unterbrechung auftretende Spannung am Elektromotor einer Frequenzanalyse unterzogen wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsspannung mit einer Frequenz von etwa 10 kHz getaktet und nach jeweils etwa 50 ms für 5 ms unterbrochen wird.

6. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei steuerbare Schalter (2, 3) derart mit dem Elektromotor (1) verbunden sind, daß der eine Schalter (3) den Elektromotor (1) kurzschließt und der andere Schalter (2) den Elektromotor (1) mit Betriebsspannung beaufschlagt, daß die Schalter (2, 3) zueinander invertiert von einem Mikrocomputer (4) steuerbar sind und daß der Verbindungspunkt (6) zwischen den Schaltern (2, 3) und dem Elektromotor (1), vorzugsweise über einen Spannungsteiler (7, 8), mit einem Analogeingang des Mikrocomputers (4) verbunden ist.