WO2005057225A1 - Verfahren und anordnung zur bestimmung der drehzahl eines gleichstrom-motors - Google Patents

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WO2005057225A1
WO2005057225A1 PCT/EP2004/014173 EP2004014173W WO2005057225A1 WO 2005057225 A1 WO2005057225 A1 WO 2005057225A1 EP 2004014173 W EP2004014173 W EP 2004014173W WO 2005057225 A1 WO2005057225 A1 WO 2005057225A1
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Siegfried Ritz
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Austriamicrosystems Ag
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    • H02P7/285—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for regulating or controlling an individual dc dynamo-electric motor by varying field or armature current by master control with auxiliary power using discharge tubes or semiconductor devices using semiconductor devices controlling armature supply only

Definitions

  • the present invention relates to a method for determining the speed of a DC motor, an arrangement for determining the speed of a DC motor and the use of such an arrangement in a fan and a pump.
  • the speed of motors can be determined using different methods. A basic distinction can be made between methods that work with additional sensors or sensors, such as Hall elements or light barriers to generate a speed-proportional signal, and methods that evaluate the motor current or voltage by a generate speed-proportional signal.
  • the speed is determined by evaluating changes in the motor current over time due to current changes from one collector bar to the next using pulse shaping stages and measuring devices, for example moving coil instruments.
  • Document DD 254 254 AI also shows a circuit arrangement for generating a speed-proportional signal in DC commutator motors, in which voltage-controlled high-pass and low-pass and narrow-band pass filters are provided for signal evaluation.
  • the documents DE 199 15 875 AI and DE 199 15 877 AI show methods and devices for measuring the speed of a DC commutator motor, in which the speed is evaluated by means of frequency analysis or time synchronization.
  • the object of the present invention is to provide an arrangement and a method for determining the speed of a direct current
  • the object is achieved with an arrangement for determining the speed of a DC motor, comprising a signal input for supplying a signal derived from the motor voltage or the motor current of the DC motor,
  • an analog / digital converter with an input which is coupled to the signal input and with an output for providing a sequence of samples
  • a first averager of the sequence of samples which is coupled to the output of the analog / digital converter a second averager of the sequence of samples which is coupled to the output of the analog / digital converter, the first and the second Averaging is in each case related to a different number of samples, a comparator which is connected to the first and the second averager and provides a sign at its output as a function of the comparison result, and
  • a computing unit which is coupled to the comparator for determining the speed of the DC motor as a function of the number of samples between changes in sign.
  • a digital signal processor can preferably be provided, which comprises the first averager, the second averager, the comparator and the computing unit.
  • a current measuring resistor is further preferably provided, which forms the signal input of the arrangement.
  • a resistor arranged in series with the motor can also be provided.
  • the motor does not need to be disconnected from a supply voltage source while the speed measurement is being carried out.
  • the engine does not have to be switched to generator operation in order to carry out a speed measurement.
  • the current measuring resistor can be arranged at any point in series with the motor, for example at the positive motor pole or at the negative motor pole.
  • a DC voltage amplifier can be provided, which couples the signal input to the input of the analog / digital converter.
  • the DC differential voltage across the current measuring resistor can preferably be amplified by means of a DC voltage amplifier with a preferably floating input stage and can be provided as a time-continuous, ground-related signal at the output of the amplifier.
  • the DC motor is preferably a DC commutator motor.
  • the differential voltage across the current measuring resistor has not only a direct current component for supplying the motor but also current components that vary over time. These time-varying current components are caused, among other things, by the current transfer of the sliding contacts from one motor segment to the next and are therefore proportional to the speed.
  • the two averagers provide two averages, which can be continuously updated by the sequence of samples. The respective number of samples, from which the two different mean values are formed, can be determined in advance depending on the engine type or can be determined in a simple manner by a small number of preliminary tests.
  • the number of samples between the sign changes of the recurring comparison results of the two mean values is multiplied by the time period between the individual samples. This time period is specified by the sampling rate of the analog / digital converter.
  • the multiplication for example, calculates half the period of the electrical contact changes of the motor. From this in turn, the current engine speed can be determined in a simple manner.
  • the number of sample values between immediately successive sign changes can be determined and multiplied by the time period between the individual samples.
  • the time period that elapses between similar sign changes can also be multiplied by multiplying the number of samples between these sign changes of the recurring comparison results by the time period between the individual samples, and the speed can be calculated therefrom.
  • the actual speed of the motor depends not only on the length of time between sign changes, but also on the number of contact changes or commutations when the motor rotates. With the proposed principle, changes in the motor voltage or motor current over time are recorded. No additional sensors are required for this. Rather, the principle can be implemented with little effort, preferably in integrated circuit technology. Only an analog / digital converter and a micro-controller or other means for digital signal processing are provided, which carry out averaging, comparison and speed calculation.
  • the object is achieved by a method for determining the speed of a DC motor with the steps:
  • the speed calculation is preferably carried out by multiplying the number of samples between changes in the sign of the recurring comparison results by the time between the individual samples, which is predetermined by the sampling rate when the signal is sampled.
  • the known relationships between the period, speed and number of contact changes during one revolution can be taken into account.
  • the first number of samples is preferably greater than the second number of samples.
  • the first and the second mean value are preferably continuously updated with the incoming samples.
  • the constantly updated mean values are preferably compared with one another on an ongoing basis.
  • the number of samples formed between two changes in the sign of the recurring comparison results is preferably multiplied by the time between the individual samples and thus the half-period of the electrical contact changes of the motor is calculated, from which the speed of the motor can in turn be calculated.
  • the speed is preferably determined as a function of the time which elapses between two electrical contact changes of the collector lamellae to the sliding contact or the contact brushes.
  • the speed measurement is done according to the proposed "method preferably continuously. It is advantageously no switching from motor operation to generator operation required.
  • a comprehensive series of measurements can advantageously be taken during normal engine operation in order to use statistical signal analysis to provide basic information about the useful and interference spectra of the
  • a signal model tailored to the interference spectrum that occurs depending on the operation can then be determined for the signal shape of the AC voltage generated by the motor itself.
  • the signal model with useful spectrum which can be parameterized with regard to the time profiles and / or signal frequencies, can be adapted for the current engine operating case.
  • An additional advantage of the method is that the method described can be used in the event of major changes in the operating state of the motor, such as the current shape, dynamic range of the signal, speed, load conditions, interference spectrum of the pulse-width-modulated control, etc.
  • the method is also suitable for large differences in engine-specific characteristics such as engine types, running properties, age-related changes in the engine characteristics, etc.
  • Typical parameters can advantageously be used without complex signal transformation, i.e. without using a fast Fourier
  • the figure shows an embodiment of the proposed principle based on a block diagram.
  • the figure shows an arrangement for determining the speed of a DC motor 1.
  • the DC motor 1 is connected to a voltage source 2 for its electrical supply.
  • the voltage source 2 is designed to be switched on and off and provides a changeable signal.
  • a series resistor 3 is connected to the voltage source 2 in series with the DC motor 1.
  • the series resistor 3 is designed as a measuring resistor, English: shunt.
  • the two connections of the measuring resistor 3 are connected to inputs of a DC amplifier 4.
  • the amplifier 4 is designed as a DC voltage amplifier and has a groundless input stage.
  • the output of the DC voltage amplifier 4, at which a ground-related signal is provided, is connected to the input of an analog / digital converter 5.
  • Analog / digital converter 5 is designed to emit a sequence of samples at its output.
  • the output of the analog / digital converter 5 is connected to the input of a microcontroller 6.
  • the microcontroller 6 comprises a first averager 61 and a second averager 62, the inputs of which are coupled to the output of the analog / digital converter 5.
  • a comparator 63 is located at the outputs of the two averaging devices 61, 62 connected, the output of which is in turn coupled to a computing unit 64.
  • the computing unit 64 provides a speed-proportional signal at its output.
  • Another input of the arithmetic unit 64 is coupled to the output of the analog / digital converter 5 or a connection for feeding the sampling rate of the analog / digital converter 5.
  • the computing unit 64 is designed to multiply the number of sampled individual values between two sign changes by the time between the individual sampling processes. This value corresponds to half the period of the electrical contact changes of the motor 1.
  • the comparator 63 provides a sign of the comparison between the mean values of the first and the second mean value generator 61, 62.
  • the time which elapses in a rotating collector motor 1 between electrical contact changes of the individual collector lamellae to the sliding contact is measured.
  • This is achieved in that electrical changes in the physical properties of the motor 1 caused thereby, which are impressed on its electrical connections, in particular via the resistor 3, as an analog physical variable, are fed to an analog / digital converter 5.
  • the analog / digital converter 5 samples these changes in a predetermined time grid within a predetermined time window and outputs the sampled instantaneous values as a digital series of numerical values.
  • a first mean value is calculated from the digital numerical values in a first mean value generator 61 from a larger number of sampled values, and this mean value is continuously updated by incoming numerical values.
  • a second mean value is education is carried out by calculating the mean value from a smaller number of individual values in relation to the first mean value.
  • the second mean value is also continuously updated by incoming further samples.
  • the first mean value and the second mean value are compared repeatedly using the comparator 63.
  • the sign of the comparison is formed.
  • the number of samples between the sign changes of the recurring comparison results is multiplied by the time period between the individual samples. This time period is specified by the sampling rate of the analog / digital converter.
  • the multiplication calculates half the period of the electrical contact changes of the motor 1.
  • the number of sample values between immediately successive sign changes can be determined and multiplied by the time period between the individual samples.
  • the time period that elapses between similar sign changes can also be multiplied by multiplying the number of sample values between these sign changes in the recurring comparison results by the time period between the individual samples, and the speed can be calculated therefrom.
  • the actual speed of the motor depends on the length of time between
  • the change of sign also depends on the number of contact changes or commutations with one revolution of the motor.
  • a particularly inexpensive system solution is provided with which an engine speed measurement can be implemented without additional devices and consequently at low cost.
  • the engine speed obtained can be used to control the engine speed.
  • the necessary devices such as common-mode amplification 4, analog / digital converter 5 and micro-controller 6 are necessarily present in a motor control anyway, even if no speed measurement and / or no speed control is carried out. Therefore, the present method for speed measurement can be implemented with particularly little effort and at low cost.
  • the time-constant direct voltage via a resistor 3 arranged in series with the motor 1 serves as the signal to be evaluated for the speed measurement.
  • the motor 1 works continuously in the normal operating mode and does not have to be disconnected from the supply voltage source while the speed measurement is being carried out, nor does it work in generator operation.
  • the measuring resistor 3 is arranged on the motor negative pole, the so-called low side, but can alternatively also be arranged on the motor positive pole, the so-called high side.
  • the motor current and thus also the differential voltage across the current measuring resistor 3 also have current components which vary over time and which are caused by the current transfer of the sliding contacts, for example carbon brushes, from one motor segment to the next and are therefore proportional to the speed.
  • the differential DC voltage across the measuring resistor 3 is amplified with the DC voltage amplifier 4 with a floating input stage and provided as a time-continuous, ground-related signal at the output of the amplifier 4.
  • the direct voltage generated in this way is fed to the input of an analog / digital converter and converted into a sequence of digital measured values at a sufficiently high sampling rate.
  • the speed of the motor is determined in the digital signal processor from the digital samples.
  • the method is designed so that it manages with minimal computing power and particularly low memory requirements.
  • the described method can in particular be implemented in a simple manner with 8-bit microprocessors.
  • an extensive series of measurements can advantageously be recorded during normal engine operation, in order to derive basic information about the useful and interference spectra of the signal with the aid of statistical signal analysis and to carry out signal conditioning.
  • a spectrum of interference that occurs depending on the operation can then be tailored
  • Signal model for the signal shape of the AC voltage generated by the motor itself can be determined.
  • the signal model with useful spectrum which can be parameterized with regard to the time profiles and / or signal frequencies, can be adapted for the current engine operating case.
  • An additional advantage of the method is that the method described in the event of major changes in the operating state of the engine, such as current shape, dynamic range of the
  • Signals, speed, load conditions, interference spectrum of the pulse width modulated control, etc. can be used.
  • the method is also suitable for large differences engine-specific characteristics such as engine types, running characteristics, age-related changes in the engine characteristics, etc.
  • Typical parameters can advantageously be obtained without a complex signal transformation, that is to say without the use of a fast Fourier transformation, FFT, fast fourier transformation, or the like.

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Abstract

Es ist ein Verfahren und eine Anordnung zur Bestimmung der Drehzahl eines Gleichstrom-Motors angegeben. Dabei ist ein Analog/Digital-Wandler (5) mit einem Versorgungsanschluss eines Motors (1) gekoppelt. Zwei Mittelwertbildner (61, 62), die am Ausgang des Analog/Digital-Wandlers (5) angeschlossen sind, stellen Mittelwerte bezogen auf eine unterschiedliche Anzahl von Abtastwerten bereit. Ein Vergleicher (63) ermittelt das Vorzeichen des Vergleichs der Mittelwerte. Mit einer Recheneinheit (64) wird die Motordrehzahl des Motors (1) in Abhängigkeit von der Anzahl der Abtastwerte zwischen den Vorzeichenwechseln ermittelt.

Description

Beschreibung
Verfahren und Anordnung zur Bestimmung der Drehzahl eines Gleichstrom-Motors
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Drehzahl eines Gleichstrom-Motors, eine Anordnung zur Bestimmung der Drehzahl eines Gleichstrom- Motors sowie die Verwendung einer derartigen Anordnung in einem Lüfter und einer Pumpe.
Die Drehzahl von Motoren kann mit unterschiedlichen Methoden bestimmt werden. Dabei kann grundsätzlich zwischen solchen Methoden unterschieden werden, bei denen mit zusätzlichen Sensoren oder Gebern gearbeitet wird, wie beispielsweise mit Hall-Elementen oder Lichtschranken zur Erzeugung eines drehzahlproportionalen Signals, sowie zwischen solchen Methoden, bei denen der Motorstrom oder die Motorspannung ausgewertet wird, um ein drehzahlproportionales Signal zu erzeugen.
In dem Dokument DE 1 673 364 beispielsweise wird die Drehzahl dadurch bestimmt, dass zeitliche Änderungen des Motorstroms bedingt durch Stromwechsel von einer Kollektorlamelle zur nächsten mit Impulsformerstufen und Messgeräten, beispielsweise Drehspulinstrumenten, ausgewertet werden.
In dem Dokument DD 254 254 AI ist ebenfalls eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines drehzahlproportionalen Signals bei Gleichstrom-Kommutatormotoren gezeigt, bei dem spannungsgesteuerte Hochpass- und Tiefpass- und Schmalbandpassfilter zur Signalauswertung vorgesehen sind. In den Dokumenten DE 199 15 875 AI und DE 199 15 877 AI sind Verfahren und Vorrichtungen zur Drehzahlmessung eines Gleichstrom-Kommutatormotors gezeigt, bei denen die Drehzahl - auswertung mittels Frequenzanalyse bzw. einer Zeitsynchroni- sation erfolgt.
In dem Dokument DE 197 29 238 Cl wird mit Hilfe eines parallel zum Motor arbeitenden Motormodells und el ektromechani- schen Motorgleichungen eine Zustandsschätzung der wahrschein- liehen, aktuellen Drehzahl aus der Motorspanrrung oder dem Motorstrom extrapoliert.
Alle beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen haben die Eigenschaften gemeinsam, dass sie zur Drehzahlbestimmung keine zusätzlichen Sensoren oder Geber benötigen, sondern die Drehzahl mit Vorteil aus der Motorspannung oder dem Motorstrom ermitteln. Dazu werden verhältnismäßig aufwendige Vorrichtungen und/oder rechenintensive Verfahren benutzt. Zudem sind einige Verfahren und Vorrichtungen lediglich für bestimmte Motortypen ausgerichtet und geeignet. Einige der beschriebenen Methoden sind zudem nicht geeignet, zeitlichen Änderungen der Motorparameter zu folgen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung und ein Verfahren zur Bestimmung der Drehzahl eines Gleichstrom-
Motors anzugeben, welches eine kontinuierliche Messung der Drehzahl ermöglicht und dabei mit geringem Aufwand realisiert werden kann.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bezüglich der Anordnung mit einer Anordnung zur Bestimmung der Drehzahl eines Gleichstrom-Motors gelöst, umfassend - einen Signaleingang zum Zuführen eines von der Motorspannung oder dem Motorstrom des Gleichstrom-Motors abgeleiteten Signals,
- einen Analog/Digital-Wandler mit einem Eingang, der mit dem Signaleingang gekoppelt ist, und mit einem Ausgang zur Bereitstellung einer Folge von Abtastwerten,
- einen ersten Mittelwertbildner der Folge von Abtastwerten, der mit dem Ausgang des Analog/Digital-Wandlers gekoppelt ist, - einen zweiten Mittelwertbildner der Folge von Abtastwerten, der mit dem Ausgang des Analog/Digital-Wandlers gekoppelt ist, wobei die erste und die zweite Mittelwertbildung jeweils auf eine unterschiedliche Anzahl von Abtastwerten bezogen sind, - einen Vergleicher, der mit dem ersten und dem zweiten Mittelwertbildner verbunden ist und an seinem Ausgang ein Vorzeichen in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis bereitstellt, und
- eine Recheneinheit, die mit dem Vergleicher gekoppelt ist zur Bestimmung der Drehzahl des Gleichstrom-Motors in Abhängigkeit von der Anzahl der Abtastwerte zwischen Vorzeichenwechseln .
Vorteilhafte Weiterbildungen der Anordnung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
So kann bevorzugt ein digitaler Signalprozessor vorgesehen sein, der den ersten Mittelwertbildner, den zweiten Mittelwertbildner, den Vergleicher und die Recheneinheit umfasst.
Weiter bevorzugt ist ein Strom-Messwiderstand vorgesehen, der den Signaleingang der Anordnung bildet. Weiter bevorzugt kann ein in Reihe zum Motor angeordneter Widerstand vorgesehen sein. Dabei braucht mit Vorteil der Motor während der Ausführung der Drehzahlmessung nicht von einer Versorgungsspannungsquelle getrennt werden. Der Motor muss nicht in einen Generatorbetrieb umgeschaltet werden, um eine Drehzahlmessung durchzuführen.
Der Strom-Messwiderstand kann an beliebiger Stelle in Reihe zum Motor angeordnet sein, also beispielsweise am Motor- Pluspol oder am Motor-Minuspol.
Es kann ein Gleichspannungsverstärker vorgesehen sein, der den Signaleingang mit dem Eingang des Analog/Digital-Wandlers koppelt .
Die Differenz-Gleichspannung über dem Strom-Messwiderstand kann bevorzugt mittels eines Gleichspannungsverstärkers mit bevorzugt massefreier Eingangsstufe verstärkt und als zeitkontinuierliches, massebezogenes Signal am Ausgang des Verstärkers bereitgestellt werden.
Der Gleichstrom-Motor ist bevorzugt ein Gleichstrom- Kommutatormotor .
Im Falle eines Bürsten-Motors weist die Differenzspannung über dem Strom-Messwiderstand außer einem Gleichstromanteil zur Speisung des Motors auch zeitlich veränderliche Stromanteile auf. Diese zeitlich veränderlichen Stromanteile werden unter anderem durch die Stromübernahme der Schleif- kontakte von einem Motorsegment zum nächsten verursacht und sind deshalb drehzahlproportional . Die beiden Mittelwertbildner stellen zwei Mittelwerte bereit, die durch die Folge von Abtastwerten fortlaufend aktualisiert werden können. Die jeweilige Anzahl von Abtastwerten, aus der die beiden unterschiedlichen Mittelwerte gebildet werden, kann vorab festgelegt sein in Abhängigkeit vom Motortyp oder durch eine geringe Anzahl von Vorversuchen in einfacher Weise ermittelt werden.
Die Anzahl der Abtastwerte zwischen den Vorzeichenwechseln der wiederkehrenden Vergleichsergebnisse der beiden Mittelwerte wird mit der Zeitdauer zwischen den einzelnen Abtastungen multipliziert. Diese Zeitdauer wird von der Abtastrate des Analog/Digital-Wandlers vorgegeben. Durch die Multiplikation wird beispielsweise die halbe Periodendauer der elektri- sehen Kontaktwechsel des Motors errechnet. Aus dieser wiederum lässt sich in einfacher Weise die momentane Motor-Drehzahl bestimmen.
Es kann zur Berechnung der Drehzahl die Anzahl der Abtast- werte zwischen unmittelbar aufeinanderfolgenden Vorzeichenwechseln ermittelt und mit der Zeitdauer zwischen den einzelnen Abtastungen multipliziert werden. Alternativ kann aber auch beispielsweise jeweils die zwischen gleichartigen Vorzeichenwechseln verstreichende Zeitdauer durch Multiplika- tion der Anzahl der Abtastwerte zwischen diesen Vorzeichenwechseln der wiederkehrenden Vergleichsergebnisse mit der Zeitdauer zwischen den einzelnen Abtastungen multipliziert und daraus die Drehzahl berechnet werden. Die tatsächliche Drehzahl des Motors hängt neben der Zeitdauer zwischen Vorzeichenwechseln auch von der Anzahl der KontaktWechsel bzw. Kommutierungen bei einer Umdrehung des Motors ab. Bei dem vorgeschlagenen Prinzip werden zeitliche Änderungen von Motorspannung oder Motorstrom erfasst . Hierfür sind keine zusätzlichen Sensoren nötig. Vielmehr kann das Prinzip mit geringem Aufwand bevorzugt in integrierter Schaltungstechnik implementiert werden. Es sind lediglich ein Analog/Digital- Wandler sowie ein Mikro-Controller oder andere Mittel zur digitalen Signalverarbeitung vorgesehen, welche Mittelwertbildungen, Vergleich und Drehzahlberechnung ausführen.
Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung der Drehzahl eines Gleichstrom- Motors mit den Schritten:
- Erfassen der Motorspannung oder des Motorstroms oder eines von Motorspannung oder Motorstrom des Gleichstrom- Motors abgeleiteten Signals,
- Abtasten des Signals und Bereitstellen einer Folge von Abtastwerten,
- Bilden eines ersten Mittelwerts einer ersten Anzahl von Abtastwerten, - Bilden eines zweiten Mittelwerts einer zweiten Anzahl von Abtastwerten,
- Vergleichen des ersten Mittelwerts mit dem zweiten Mittelwert und Bereitstellen eines Vorzeichens des Ergebnisses, - Berechnen der Drehzahl in Abhängigkeit von der Anzahl der Abtastwerte zwischen Vorzeichenwechseln.
Die Drehzahlberechnung erfolgt bevorzugt mittels Durchführen einer Multiplikation der Anzahl von Abtastwerten zwischen Vorzeichenwechseln der wiederkehrenden Vergleichsergebnisse mit der Zeitdauer zwischen den einzelnen Abtastungen, die durch die Abtastrate bei dem Abtasten des Signals vorgegeben wird. Dabei können die bekannten Zusammenhänge zwischen Periodendauer, Drehzahl und Anzahl der Kontaktwechsel bei einerr Umdrehung berücksichtigt werden.
Bevorzugte Weiterbildungen des beschriebenen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.
So ist bevorzugt die erste Anzahl von Abtastwerten größer als die zweite Anzahl von Abtastwerten.
Der erste und der zweite Mittelwert werden bevorzugt fortlaufend mit den eingehenden Abtastwerten aktualisiert.
Bevorzugt werden die stets aktualisierten Mittelwerte miteinander fortlaufend verglichen.
In der Recheneinheit wird bevorzugt die jeweils zwischen zwei Vorzeichenwechseln der wiederkehrenden Vergleichsergebnisse gebildete Anzahl von Abtastwerten mit der Zeit zwischen den einzelnen Abtastwerten multipliziert und damit die hal3oe Periodendauer der elektrischen Kontaktwechsel des Motoirs errechnet, aus der sich wiederum die Drehzahl des Moto rs berechnen lässt .
Die Drehzahl wird bevorzugt in Abhängigkeit der Zeit eirmit- telt, die zwischen zwei elektrischen Kontaktwechseln der Kollektorlamellen zum Schleifkontakt bzw. den Kontaktbiürsten verstreicht .
Die Drehzahlmessung erfolgt gemäß dem vorgeschlagenen "Verfahren bevorzugt kontinuierlich. Dabei ist mit Vorteil keine Umschaltung vom Motorbetrieb in einen Generatorbetrieb nötig. Im Rahmen einer Kalibrierung kann mit Vorteil eine umfangreiche Messreihe bei einem normalen Motorbetrieb aufgenommen werden, um mit Hilfe einer statistischen Signalanalyse grund- legende Informationen über die Nutz- und Störspektren des
Signals abzuleiten und eine Signalkonditionierung durchzuführen. Anschließend kann ein auf das betriebsabhängig auftretende Störspektrum zugeschnittenes Signalmodell für die Signalform der vom Motor selbst erzeugten WechselSpannung ermittelt werden. Das Signalmodell mit Nutzspektrum, welches bezüglich der Zeitverläufe und/oder Signalfrequenzen parametrisierbar ist, kann dabei für den aktuellen Motorbetriebsfall adaptiert werden.
Ein zusätzlicher Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass das beschriebene Verfahren bei starken Veränderungen des Betriebszustands des Motors wie Stromform, Dynamikbereich des Signals, Drehzahl, Lastbedingungen, Störspektrum der pulsweitenmodulierten Steuerung usw. anwendbar ist. Das Verfahren eignet sich aber auch für starke Unterschiede motorspezifischer Charakteristika wie Motortypen, Laufeigenschaften, alterungsbedingte Änderungen in der Motorcharakteristik et cetera. Typische Kenngrößen können dabei mit Vorteil ohne eine aufwendige Signaltransformation, das heißt ohne Anwendung einer schnellen Fourier-
Transformation, englisch: FFT, fast fourier transformation, oder Ähnliches, gewonnen werden.
Ein noch weiterer Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens besteht darin, dass die Funktionalität vollständig in
Software abgebildet werden kann, nämlich in einem einfachen Mikro-Controller, und somit flexibel an unterschiedliche Anwendungsfälle angepasst werden kann. Da keinerlei zusätz- liehe Hardware benötigt wird, entsteht eine sehr kostengünstige Systemlösung.
Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der Figur näher erläutert .
Es zeigt :
die Figur ein Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen Prinzips anhand eines Blockschaltbildes.
Die Figur zeigt eine Anordnung zur Bestimmung der Drehzahl eines Gleichstrom-Motors 1. Zu seiner elektrischen Versorgung ist der Gleichstrom-Motor 1 an eine Spannungsquelle 2 ange- schlössen. Die Spannungsquelle 2 ist zu- und abschaltloar ausgeführt und stellt ein veränderbares Signal bereit . In Serie zu dem Gleichstrom-Motor 1 ist ein Serienwiderstand 3 an die Spannungsquelle 2 geschaltet. Der Serienwiderstand 3 ist als Mess-Widerstand ausgestaltet, englisch: shunt . Die beiden Anschlüsse des Mess-Widerstands 3 sind mit Eingängen eines DC-Verstärkers 4 verbunden. Der Verstärker 4 ist als Gleichspannungsverstärker ausgeführt und hat eine massefreie Eingangsstufe. Der Ausgang des Gleichspannungsverstär-kers 4, an dem ein massebezogenes Signal bereitgestellt wird, ist mit dem Eingang eines Analog/Digital-Wandlers 5 verbunden . Der
Analog/Digital -Wandler 5 ist ausgelegt zum Abgeben einer Folge von Abtastwerten an seinem Ausgang. Der Ausgang des Analog/Digital-Wandlers 5 ist mit dem Eingang eines MikroControllers 6 verbunden. Der Mikro-Controller 6 umfasst einen ersten Mittelwertbildner 61 und einen zweiten Mittelwertbildner 62, deren Eingänge mit dem Ausgang des Analog/ Digital -Wandlers 5 gekoppelt sind. An Ausgänge der beiden Mittelwertbildner 61, 62 ist ein Vergleicher 63 angeschlossen, dessen Ausgang wiederum mit einer Recheneinheit 64 gekoppelt ist. Die Recheneinheit 64 stellt an ihrem Ausgang ein drehzahlproportionales Signal bereit. Ein weiterer Eingang der Recheneinheit 64 ist mit dem Ausgang des Analog/Digital-Wandlers 5 bzw. einem Anschluss zur Zuführung der Abtastrate des Analog/Digital-Wandlers 5 gekoppelt. Die Recheneinheit 64 ist ausgelegt zum Multiplizieren der Anzahl der abgetasteten Einzelwerte zwischen zwei Vorzeichenwechseln mit der Zeit zwischen den einzelnen Abtastvorgängen. Dieser Wert entspricht der halben Periodendauer der elektrischen Kontaktwechsel des Motors 1. Der Vergleicher 63 stellt hierfür jeweils ein Vorzeichen des Vergleichs zwischen den Mittelwerten des ersten und des zweiten Mittelwertbildners 61, 62 bereit.
Gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren zur kontinuierlichen Periodendauermessung wird die Zeit, die bei einem sich drehenden Kollektormotor 1 zwischen elektrischen Kontakt- wechseln der einzelnen Kollektorlamellen zum Schleifkontakt verstreicht, gemessen. Dies wird erreicht, indem dadurch verursachte elektrische Änderungen der physikalischen Eigenschaften des Motors 1, welche an seinen elektrischen Anschlüssen, insbesondere über dem Widerstand 3 als analoge physikalische Größe eingeprägt werden, einem Analog/Digital - Wandler 5 zugeführt werden. Der Analog/Digital -Wandler 5 tastet diese Änderungen in einem vorgegebenen Zeitraster innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters ab und gibt die abgetasteten Momentanwerte als digitale Zahlenwertreihe aus. Aus den digitalen Zahlenwerten wird in einem ersten Mittel - wertbildner 61 aus einer größeren Anzahl von Abtastwerten ein erster Mittelwert errechnet, und dieser Mittelwert wird durch eingehende Zahlenwerte fortlaufend aktualisiert. Weiterhin wird aus den digitalen Abtastwerten eine zweite Mittelwert- bildung dadurch vorgenommen, dass der Mittelwert aus einer geringeren Anzahl von Einzelwerten im Verhältnis zu dem ersten Mittelwert errechnet wird. Auch der zweite Mittelwert wird durch eingehende weitere Abtastwerte fortlaufend aktua- lisiert. Mit dem Vergleicher 63 werden der erste Mittel-wert und der zweite Mittelwert wiederkehrend verglichen. Dabei wird das Vorzeichen des Vergleichs gebildet . Die Anzahl der Abtastwerte zwischen den Vorzeichenwechseln der wiederkehrenden Vergleichsergebnisse wird mit der Zeitdauer zwischen den einzelnen Abtastungen multipliziert. Diese Zeitdauer wird von der Abtastrate des Analog/Digital-Wandlers vorgegeben. Durch die Multiplikation wird die halbe Periodendauer der elektrischen Kontaktwechsel des Motors 1 errechnet .
Es kann zur Berechnung der Drehzahl die Anzahl der Abtast- werte zwischen unmittelbar aufeinanderfolgenden Vorzeichenwechseln ermittelt und mit der Zeitdauer zwischen den einzelnen Abtastungen multipliziert werden. Alternativ kann aber auch beispielsweise jeweils die zwischen gleichartigen Vorzeichenwechseln verstreichende Zeitdauer durch Multiplikation der Anzahl der Abtastwerte zwischen diesen Vorzeichenwechseln der wiederkehrenden Vergleichsergebnisse mit der Zeitdauer zwischen den einzelnen Abtastungen multipliziert und daraus die Drehzahl berechnet werden. Die tatsächliche Drehzahl des Motors hängt neben der Zeitdauer zwischen
Vorzeichenwechseln auch von der Anzahl der Kontaktwechsel bzw. Kommutierungen bei einer Umdrehung des Motors ab.
Gemäß dem vorgeschlagenen Prinzip wird eine besonders kostengünstige Systemlδsung bereitgestellt, mit der eine Motordrehzahlmessung ohne zusätzliche Vorrichtungen und folglich mit geringen Kosten realisiert werden kann. Insbesondere kann die gewonnene Motordrehzahl zu einer Motordrehzahlregelung verwendet werden.
Die benötigten Vorrichtungen wie Gleichtaktverstärke 4, Analog/Digital-Wandler 5 und Mikro-Controller 6 sind in einer Motorsteuerung ohnehin notwendigerweise vorhanden, auch dann, wenn keine Drehzahlmessung und/oder keine Drehzahlregelung ausgeführt wird. Deshalb ist das vorliegende Verfahren zur Drehzahlmessung mit besonders geringem Aufwand und kostengünstig realisierbar.
Als auszuwertendes Signal für die Drehzahlmessung dient vorliegend die zeitkontinuierliche Gleichspannung über einen in Reihe zum Motor 1 angeordneten Widerstand 3. Der Motor 1 arbeitet ständig im Normalbetriebsmodus und muss während der Durchführung der Drehzahlmessung auch weder von der Versorgungsspannungsquelle getrennt werden, noch in einem Generatorbetrieb arbeiten.
Der Mess-Widerstand 3 ist vorliegend am Motor-Minuspol angeordnet, der sogenannten low side, kann alternativ aber auch am Motor-Pluspol, der sogenannten high side, angeordnet sein.
Der Motorstrom und damit auch die Differenzspannung über dem Strom-Messwiderstand 3 weist neben dem Gleichstromanteil zur Speisung des Motors beispielsweise im Falle eines Bürsten- motors auch zeitlich veränderliche Stromanteile auf, welche durch die Stromübernahme der Schleifkontakte, beispielsweise Kohlebürsten, von einem Motorsegment zum nächsten verursacht werden und deshalb drehzahlproportional sind. Die Differenz-Gleichspannung über dem Mess-Widerstand 3 wird mit dem Gleichspannungsverstärker 4 mit massefreier Eingangs- stufe verstärkt und als zeitkontinuierliches, massebezogenes Signal am Ausgang des Verstärkers 4 bereitgestellt. Die so erzeugte Gleichspannung wird dem Eingang eines Analog/Digital-Wandlers zugeführt und mit ausreichend hoher Abtastrate in eine Folge von digitalen Messwerten gewandelt. Mit dem vorliegenden Verfahren wird im digitalen Signalprozessor aus den digitalen Abtastwerten die Drehzahl des Motors bestimmt. Das Verfahren ist dabei so ausgelegt, dass es mit minimaler Rechenleistung und besonders geringem Speicherbedarf auskommt. Das beschriebene Verfahren ist insbesondere in einfacher Weise mit 8-Bit-Mikroprozessoren realisierbar.
Im Rahmen einer Kalibrierung kann mit Vorteil eine umfangreiche Messreihe bei einem normalen Motorbetrieb aufgenommen werden, um mit Hilfe einer statistischen Signalanalyse grundlegende Informationen über die Nutz- und Störspektren des Signals abzuleiten und eine Signalkonditionierung durchzufüh- ren. Anschließend kann ein auf das betriebsabhängig auftretende Störspektrum zugeschnittenes Signalmodell für die Signalform der vom Motor selbst erzeugten WechselSpannung ermittelt werden. Das Signalmodell mit Nutzspektrum, welches bezüglich der Zeitverläufe und/oder Signalfrequenzen parame- trisierbar ist, kann dabei für den aktuellen Motorbetriebsfall adaptiert werden.
Ein zusätzlicher Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass das beschriebene Verfahren bei starken Veränderungen des Betriebszustands des Motors wie Stromform, Dynamikbereich des
Signals, Drehzahl, Lastbedingungen, Störspektrum der pulsweitenmodulierten Steuerung usw. anwendbar ist. Das Verfahren eignet sich aber auch für starke Unterschiede motorspezifischer Charakteristika wie Motortypen, Laufeigenschaften, alterungsbedingte Änderungen in der Motorcharakteristik et cetera. Typische Kenngrößen können dabei mit Vorteil ohne eine aufwendige Signaltransformation, das heißt ohne Anwendung einer schnellen Fourier-Transformation, englisch: FFT, fast fourier transformatio , oder Ähnliches, gewonnen werden.
Ein noch weiterer Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens besteht darin, dass die Funktionalität vollständig in
Software abgebildet werden kann, nämlich im Mikro-Controller 6, und somit flexibel an unterschiedliche Anwendungsfälle angepasst werden kann. Da keinerlei zusätzliche Hardware benötigt wird, entsteht eine sehr kostengünstige System- lδsung.
Figurenbesehreibung
1 Motor
2 Spannungsquelle 3 Mess-Widerstand
4 Gleichspannungsverstärker
5 Analog/Digital-Wandler
6 Mikro-Controller 61 Mittelwertbildner 62 Mittelwertbildner
63 Vergleicher
64 Recheneinheit

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung der Drehzahl eines Gleichstrom- Motors (1) mit den Schritten: - Erfassen der Motorspannung oder des Motorstroms oder eines von Motorspannung oder Motorstrom des Gleichstrom- Motors (1) abgeleiteten Signals,
- Abtasten des Signals und Bereitstellen einer Folge von Abtastwerten, - Bilden eines ersten Mittelwerts einer ersten Anzahl von Abtastwerten,
- Bilden eines zweiten Mittelwerts einer zweiten Anzahl von Abtastwerten,
- Vergleichen des ersten Mittelwerts mit dem zweiten Mittelwert und Bereitstellen eines Vorzeichens des Ergebnisses,
- Berechnen der Drehzahl in Abhängigkeit von der Anzahl der Abtastwerte zwischen Vorzeichenwechseln, dabei Durchführen einer Multiplikation der Anzahl von Abtastwerten zwischen Vorzeichenwechseln der wiederkehrenden Vergleichsergebnisse mit der Zeitdauer zwischen den einzelnen Abtastungen, die durch die Abtastrate bei dem Abtasten des Signals vorgegeben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Anzahl von Abtastwerten größer als die zweite
Anzahl von Abtastwerten ist .
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Mittelwert fortlaufend aktualisiert werden .
. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet , dass die Drehzahl in Abhängigkeit der Zeit errechnet wird, die zwischen elektrischen Kontaktwechseln einzelner Kollektorlamellen zum Schleifkontakt verstreicht.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Drehzahl kontinuierlich erfolgt .
6. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend
- einen Signaleingang (3) zum Zuführen des von der Motor- Spannung oder dem Motorstrom des Gleichstrom-Motors (1) abgeleiteten Signals,
- einen Analog/Digital -Wandler (5) mit einem Eingang, der mit dem Signaleingang (3) gekoppelt ist, und mit einem Ausgang zur Bereitstellung der Folge von Abtastwerten, - einen ersten Mittelwertbildner (61) der Folge von Abtastwerten, der mit dem Ausgang des Analog/Digital- Wandlers (5) gekoppelt ist,
- einen zweiten Mittelwertbildner (62) der Folge von Abtastwerten, der mit dem Ausgang des Analog/Digital- Wandlers (5) gekoppelt ist,
- einen Vergleicher (63) , der mit dem ersten und dem zweiten Mittelwertbildner (61, 62) verbunden ist, und
- eine Recheneinheit (64) zur Abgabe eines drehzahlabhängigen Signals, die mit dem Vergleicher (63) gekoppelt ist.
7. Anordnung nach Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet, dass ein digitaler Signalprozessor (6) vorgesehen ist, der den ersten Mittelwertbildner (61) , den zweiten Mittelwertbildner (62), den Vergleicher (63) und die Recheneinheit (64) umfasst .
8. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Strom-Messwiderstand (3) vorgesehen ist, der den Signaleingang der Anordnung bildet .
9. Anordnung nach Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet, dass der Strom-Messwiderstand (3) in Reihe zu dem Gleichstrom- Motor (1) geschaltet ist.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gleichspannungsverstärker (4) vorgesehen ist, der den Signaleingang (3) mit dem Eingang des Analog/Digital - Wandlers (5) koppelt.
11. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstrom-Motor (1) ein Gleichstrom-Kommutatormotor ist.
12. Verwendung einer Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 11 bei einem Gleichstrom-Motor (1) zum Antrieb eines Lüfters.
13. Verwendung einer Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 11 bei einem Gleichstrom-Motor (1) zum Antrieb einer Pumpe.
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