WO2020254109A1 - Methode zur drehzahlregelung eines mechanisch kommutierten kompressormotors - Google Patents

Methode zur drehzahlregelung eines mechanisch kommutierten kompressormotors Download PDF

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    • H02P2205/07—Speed loop, i.e. comparison of the motor speed with a speed reference

Definitions

  • the invention relates to a mechanically commutated brush motor for a compressor device with a compressor for generating compressed air, with a rotor and a preferably permanently excited stator, having a current sensor for measuring a motor current, in particular a rotor current, and an electronic control and regulating device that has a speed regulation device for the Rotor and a signal input from the current sensor for the measured motor current.
  • a mechanically commutated brush motor with speed control is an alternative to a speed-controlled brushless direct current motor (BLDC motor).
  • BLDC motor is relatively expensive compared to a brushed motor.
  • the use of a brush motor for speed control can reduce costs.
  • EP 0 676 858 B1 describes control electronics that switch between a Rege treatment via electromotive force (EMF) and IxR compensation circuit.
  • EMF electromotive force
  • speed control using EMF measurement has the disadvantage that the motor must be operated with periodically briefly interrupted power supply to determine the speed - i.e. to measure an induced voltage on the motor - which is accompanied by noticeable noise.
  • the IxR compensation circuit uses the proportionality between the measured motor current and the associated speed drop. The motor voltage increases proportionally to the motor current. With the IxR compensation circuit, the speed control constancy is subject to the influence of temperature and aging or wear of the brush system. The speed control constancy of the method is therefore limited.
  • the object of which is to provide a device and a method by means of which a mechanically commutated brush motor for a compressor device with a compressor for compressed air generation with a rotor and a preferably permanently excited stator can be operated in an improved manner.
  • the acoustics and speed constancy of the brush motor should be improved by the method and the device.
  • the invention is based on a mechanically commutated brush motor for a compressor device with a compressor for generating compressed air, with a rotor and a preferably permanently excited stator.
  • the brush motor has a current sensor for measuring a motor current, in particular a rotor current, and an electronic control and regulating device device with a speed control device for the rotor and a signal input for the motor current measured by the current sensor.
  • the speed control device has:
  • a calibration module for determining a calibration speed from the measured motor current, such that, in particular under the controlled test conditions, the speed determined from the measured motor current can be calibrated via the calibration characteristic to the compression stroke as the calibration speed, and
  • a determination module for determining an operating speed, by means of which an average motor current can be determined from the measured motor current during operation, the operating speed being able to be determined from the average motor current
  • a comparison module by means of which a comparison between the operating speed and the calibration speed can be carried out
  • a control module by means of which the motor current can be controlled by changing a motor voltage in such a way that the operating speed corresponds to the calibration speed, in particular remains largely constant, preferably the operating speed is within a predetermined range of variance around a constant value predetermined by means of the calibration speed.
  • the invention also leads to a compressor device, a compressed air supply system and a vehicle.
  • the invention is based on the consideration that, for reasons of acoustics, an operation of the brush motor tors is advantageous at constant speed and this should therefore be controlled with a low-noise process.
  • the invention is based on the knowledge that the presence of a current increase due to the compression stroke, in contrast to known approaches, is independent of the state of the brush motor.
  • the invention enables a largely constant speed over the operating period.
  • the largely constant speed is achieved by storing a calibration curve in the memory of the electronic control and regulating device and the measured motor current can be calibrated as a calibration speed using the calibration module, especially under controlled test conditions.
  • a calibration characteristic can be determined for many operating states of the brush motor; However, largely defined test conditions that do not have too many imponderables are preferred; in particular, a brushed motor should not have aged too much. In this sense, defined test conditions are to be understood as those that are controlled or controllable. Controlled test conditions are particularly preferably understood to mean a known state of the engine with a defined compression stroke. This is largely the case when the engine is new, for example.
  • the speed is kept largely constant over the service life or operating time by determining an operating speed in the determination module, comparing the operating speed and the calibration speed in the comparison module and regulating the motor current in such a way that the operating speed corresponds to the calibration speed, preferably the Operating speed is within a predetermined range of variance around a constant value predetermined by means of the calibration speed.
  • the operating speed can be determined by the determination module from the measured mean motor current, or via the alternating current component of the brush motor.
  • This alternating current is also known as a current ripple. It is caused by charging and discharging processes in the brush motor.
  • control module can regulate the operating speed by adjusting between the operating speed and the calibration speed in the comparison module, regardless of tolerances, aging processes of the brush motor and changes in the clamping resistance. This is particularly advantageous since the adaptation of the operating speed cannot be over- or under-compensated.
  • the comparison between the operating speed and the calibration speed in the comparison module can be carried out at predetermined or in any case defined calibration time intervals.
  • the aging process of the brush motor can be compensated for over the service life or operating time of the motor by means of a comparison at predetermined or at least calibration time intervals.
  • a comparison between the operating speed and the calibration speed is provided at a suitable point in time with sufficiently constant conditions, for example at constant voltage and / or constant temperature and / or constant engine power.
  • the motor current can be measured during a switch-on phase of the motor voltage, the determination module approximating a motor current contributing to torque generation from the measured motor current.
  • the current on the ground line also known as the low-side.
  • a measuring resistor is connected as a current sensor between the brush motor and ground.
  • the motor current can advantageously be measured during a switch-on phase of the motor voltage.
  • a low-side current measurement is simple and inexpensive.
  • the motor current can be measured continuously in the current sensor.
  • the motor current can be measured during the switch-on phase and a switch-off phase of the motor voltage, the determination module calculating a motor current that contributes to the generation of torque from the measured motor current.
  • the measuring resistor is connected between the voltage source and the brush motor. Short-circuit currents can advantageously be detected with a high-side current measurement.
  • the high-side current measurement is still not susceptible to interference on the ground path, which means that the motor current can be measured continuously here.
  • the electronic control and regulating device can have an analog-digital converter input and a pulse width modulation output.
  • the operating speed of the brush motor can advantageously be adapted by means of an adjustable pulse duty factor with the pulse width modulation output of the electronic control and regulation device.
  • the pulse duty factor can be reduced if the operating speed is too high and increased if the operating speed is too low.
  • the analog-digital converter is designed to convert a pulse-width-modulated signal, in particular a pulse-width-modulated voltage signal, into a digital signal.
  • the brush motor with speed control has a pulse width modulation unit with an adjustable pulse duty factor.
  • the memory of the electronic control and regulating device then also has a lookup table stored with which the pulse duty factor can be determined as a function of the input variables of the engine load and the on-board electrical system voltage. A determination of the pulse duty factor is advantageous in order to avoid complex calculations. This enables the motor voltage to be changed quickly to regulate the motor current.
  • the current sensor can have a measuring resistor and an amplifier unit. With the measuring resistor, the motor current can be measured indirectly via a drop in the motor voltage. Small changes in the motor voltage signal can be measured with the amplifier unit.
  • a compressor device comprising a drive with the brush motor according to the invention and a compressor, in particular a compressor, preferably for a compressed air consumer of a vehicle, such as an air system or a brake system.
  • the operating speed of the compressor is advantageously regulated by adapting the motor current to the calibration speed.
  • the operating speed of the compressor is kept as constant as possible by regulating the operating speed to the calibration speed. In particular, this should remain as constant as possible over the service life or service life.
  • the operating speed should preferably lie within a predetermined range of variance around a constant value predetermined by means of the calibration speed.
  • a compressed air supply system preferably for a compressed air consumer of a vehicle, in particular an air suspension system and / or a brake system, having a compressor device according to the invention.
  • the above-mentioned object is achieved by a vehicle having a compressed air supply system according to the invention. According to a further aspect of the invention, the above-mentioned object is achieved by a method for speed control for operating a compressor device.
  • the method according to the invention has the following steps:
  • the method according to the invention advantageously enables speed regulation independently of the state of the brush motor.
  • the measurement of the motor current, the comparison between the operating speed and the calibration speed and the regulation of the motor current can be carried out automatically without individual process steps requiring manual operation by the user.
  • the method also includes an approximation of a motor current that contributes to the generation of torque from the measured motor current.
  • the comparison of the operating speed and the calibration speed takes place at defined calibration time intervals, in particular when a suitable point in time with sufficiently constant conditions is proven via the motor current measurement.
  • a pulse duty factor of a pulse width modulation is determined.
  • the duty cycle is determined in a lookup table as a function of input variables, in particular as a function of input variables such as load and on-board electrical system voltage.
  • the concept of the invention is not limited to a compressed air supply system or a compressed air consumer of a vehicle, such as, for example, an air suspension system or a braking system, having a compressor for generating compressed air using a brush motor. Rather, the method on which the invention is based serves as a general method for operating brush motors at constant speeds.
  • FIG. 1 shows a compressor device with a brush motor
  • FIGS. 2A and 2B show a compressor device with a brush motor according to a first embodiment and a second embodiment
  • Figs. 4A, 4B, 4C, Figs. 4D simulated current curves with different
  • Fig. 5 method for speed control according to an embodiment before ferred
  • FIG. 6 shows a vehicle with a compressed air supply system according to a preferred embodiment.
  • the brush motor 10 also has a rotor 9 and a stator 11.
  • the current sensor 14 is designed to measure a motor current, in particular a Ro torstrom, as a function of time, also referred to as the measured motor current 18.
  • the measured motor current 18 is passed on from the current sensor 14 via a signal input 16 to the electronic control and regulating device 12.
  • the electronic control and regulating device 12 has a speed regulating device 13 with a memory 20, a calibration module 24, a determination module 28, a comparison module 28 and a control module 34.
  • a calibration curve 22 is stored in the memory 20, which indicates a speed 17 determined via a compression stroke 15 of the compressor 8.
  • the speed 17 determined via the compression stroke 15 is easily measurable under controlled kaubedin conditions, preferably when new, of the brush motor 10.
  • a lookup table 29 is stored in the memory 20. With the lookup table 29, the control of the operating speed 23 can take place more quickly since a mathematical calculation is not required when using the lookup table 29.
  • a pulse duty factor TV of a pulse width modulation unit is stored in the lookup table 29 as a function of the input variables 31 load L and on-board electrical system voltage BNS.
  • a calibration speed 26 is determined from the measured motor current 18, which is measured under controlled test conditions, preferably in the new condition, of the brush motor 10.
  • the rotational speed 17 determined from the measured motor current 18 is calibrated on the compression stroke 15 via the calibration curve 22.
  • the determination module 28 receives the measured motor current 18 via the signal input 16 when the brush motor 10 is in operation.
  • An average motor current 21 can be determined from the motor current 18 measured during operation, the operating speed 23 being determined from the average motor current 21.
  • the comparison module 30 receives the operating speed 23 and the calibration speed 26 and is designed to carry out a comparison 32 between the operating speed 23 and the calibration speed 26.
  • the comparison module 30 can thus be used to determine whether the operating speed 23 and the calibration speed 26 differ from one another.
  • the control module 34 is designed to receive a result of the comparison 32 from the comparison module 30 and then to regulate the motor current 18 by changing a motor voltage M such that the operating speed 23 corresponds to the calibration speed 26.
  • the operating speed 23 remains within a predetermined variance range V which is around a constant value K predetermined by means of the calibration speed 26.
  • compressor device 100 shows a compressor device 100 'with a brush motor 10' according to a first embodiment.
  • compressor device 100 has an electronic control and regulating device 12', a current sensor 14 'with measuring resistor RSEN' and amplifier unit 38 ', which is installed between ground 39' and motor load 40 ', and a switch 36', which is installed between the motor load 40 'and the current sensor 14'.
  • the Bürs tenmotor 10 ‘in this embodiment is a DC motor that is supplied by a voltage source 41‘.
  • the electronic control and regulating device 12 ' is a microcontroller.
  • the electronic control and regulating device 12 ' has an analog-digital converter input ADC input and a pulse width modulation output PWM output.
  • the analog-to-digital converter ADC is designed to convert a pulse-width modulated signal into a digital signal.
  • the pulse width modulation output PWM output of the electronic control and regulating device 12 ' is designed to adapt the operating speed 23 of the brush motor 10' by means of an adjustable duty cycle TV.
  • the pulse duty factor TV is determined in the present case by the duration of the switch-on phase to N of the motor voltage for the duration of the pulse period, that is to say the switch-on and switch-off phases ⁇ ON + OFF.
  • the switch 36 ' is an N-channel MOSFET switch.
  • An N-channel MOSFET has a gate, drain and source.
  • the gate of the MOSFET is via a gate resistor RG' at the same potential as the supply voltage from the voltage source 4T, the MOSFET is not controlled and the brush motor 10 'is not supplied with voltage.
  • the Ga tewiderstand RQ ' is between the pulse width modulation output PWM Out- put and the switch 36 'switched to regulate the gate to zero voltage when the switch 36' is open. If the switch closes, the gate voltage of the N-channel MOSFET drops, the MOSFET controls through and the brush motor 10 'is supplied with voltage.
  • FIGS. 4A, 4B, 4C and 4D Such a course of the test voltage can be seen in FIGS. 4A, 4B, 4C and 4D.
  • a diode 42 ‘ is switched across the motor load 40‘ in order to reduce the voltage generated by the motor 10 ‘when the switch 36‘ is switched off.
  • the current sensor 14 ' has a measuring resistor RSEN', via which the falling motor voltage signal is measured and converted into a motor current signal.
  • the amplifier unit 38 ' With the aid of the amplifier unit 38 ', even small changes in the motor voltage signal can be measured.
  • the amplifier unit has a differential amplifier 43 'and a gain resistor RLP'. The gain can be set with the gain resistor RLP '.
  • the arrangement also has a capacitor CLP '. The capacitor CLP 'is used to filter the output voltage from. With such an arrangement, the motor current can only be measured during a switch-on phase to N of the motor voltage; this according to a first measurement method which works with a switch-on phase to N of the brush motor 10 '. Such a current measurement is simple and inexpensive.
  • FIG. 2B shows a compressor device 100 ′′ with a brush motor 10 ′′ according to a second embodiment.
  • This second embodiment of the compressor device 100 ′′ has the same components as the compressor device 100 ′′ of the first exemplary embodiment from FIG. 2A.
  • the functionality of the components such as the control and regulation device 12 ", the switch 36" and the brush motor 10 "with motor load 40" and diode 42 "has not changed in this structure.
  • the embodiment of the compression device 100 ′′ from FIG. 2B differs from the embodiment of the compression device 100 ′ from FIG. 2A in that the one electronic control and regulation device 12 ′′ with measuring resistor RSEN ′′ and amplifier 28 ′′ between the voltage source 41 ′′ and the engine load 40 "is arranged. With such an arrangement, short-circuit currents can be detected. This current measurement is still not susceptible against disturbances on the ground path, whereby the motor current can be measured continuously here; this according to a second measuring method, which works with a switch-on and switch-off phase "ON + OFF" of the brush motor 1 0 "and measures the motor current continuously over an entire period, if so continuously.
  • FIG. 3 shows a motor current curve 18 ‘of a compressor, in particular a compressor, and the signals to be obtained therefrom by filtering.
  • the measured motor current 18 shown symbolically in Fig. 1 is specifically shown in Fig. 3 as an exemplary measured motor current curve 18 18 and shows an idealized curve of a motor current of a two-stage compressor.
  • the motor current curve 18 ' shows an approximately sinusoidal curve with Stromrippein 49.
  • a motor current signal results from a superposition of the current curve of the brush motor resulting from the compression stroke 48 and the current curve of the brush motor resulting from the commutation 50. Both the compression stroke 48 and the Commutation 50 are shown as a filtered signal 47, 49.
  • the mean motor current 21 can be determined from the current profile 46 in the determination module 28 shown in FIG. 1.
  • the operating speed 23 can be determined from the mean motor current.
  • motor current profiles 18 ′′ are shown as simulated motor current profiles 54, 54 ', 54 ", 54 '" depending on the course of the gate voltage of the MOSFET switch 52, 52', 52 ", 52 '", and on variables such as the frequency of the pulse width modulation operation (PWM operation), the duty cycle of the PWM and the load.
  • PWM operation pulse width modulation operation
  • 4A, 4B, 4C and 4D are jointly described below in order to also explain the motor current I ti, U2 from the measured motor current 18, which contributes to the generation of torque.
  • 4A, 4B, 4C and 4D show the starting motor current MON as the contributing motor current l ti according to the above-mentioned first measurement method and the starting and stopping motor current MON + OFF as the contributing motor current l t2 according to the above said second measurement method for the switch-on phase toN and switch-on and switch-off phases ⁇ ON + OFF each shown.
  • Fig. 4A shows a simulated motor current profile 54 of a brush motor with 9V gate voltage, 4kFlz PWM operating frequency, 75% duty cycle and low load.
  • 4B shows a simulated motor current profile 54 of a brush motor with a 12 V gate voltage, 4 kFlz PWM operating frequency, 60% duty cycle and low load.
  • 4C shows a simulated motor current curve 54 ′′ of a brush motor with a 12 V gate voltage, 4 kHz PWM operating frequency, 75% duty cycle and high load.
  • Fig. 4D shows a simulated motor current curve 54 "of a brush motor with 16V gate voltage, 4kHz PWM operating frequency, 45% duty cycle and low load.
  • the motor current 54, 54 ', 54 ", 54'” drops. This drop also depends on the operating conditions.
  • the operating speed 23 can be calculated from the mean motor current, which can be determined as shown in FIG. 3.
  • FIG. 5 shows a method for speed control 200 according to a preferred embodiment.
  • the motor current 18 and the compression stroke 15 are measured under controlled test conditions in a first step S1.
  • an associated speed 17 is determined from the measurement of the motor current 18 and the measurement of the compression stroke 15.
  • the speed from the measurement of the motor current is calibrated to the speed 17 from the measurement of the compression stroke 15 in a third step S3.
  • the speed determined in this way is used as calibration speed 26.
  • the motor current 18 is measured and an operating speed 23 is determined from this S4.
  • the operating speed 23 is calculated from an averaged motor current 21.
  • the calibration speed 26, which has been determined under controlled test conditions, and the operating speed 23 are compared with one another.
  • the motor current 18 is regulated in such a way that the operating speed 23 is regulated to the calibration speed 26 and thus remains constant for testing purposes.
  • the operating speed 23 is preferably within a predetermined range of variance V around a constant value K predetermined by means of the calibration speed 26.
  • FIG. 6 shows a vehicle 600 with a compressed air supply system 500 according to a preferred embodiment.
  • the compressed air supply system 500 can drive compressed air consumers 505, such as an air suspension system 510 or a brake system 520, of the vehicle 600.
  • compressed air consumers 505 such as an air suspension system 510 or a brake system 520

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen mechanisch kommutierten Bürstenmotor (10) für eine Verdichtereinrichtung (100) mit einem Verdichter (8) zur Drucklufterzeugung, mit einem Rotor (9) und einem Stator (11), einem Stromsensor (14) zur Messung eines Motorstroms (18) und einer elektronischen Steuer- und Regeleinrichtung (12), die eine Drehzahlregelungseinrichtung (13) für den Rotor und einen Signaleingang (16) für den vom Stromsensor (14) gemessenen Motorstrom (18) hat. Erfindungsgemäß weist die Drehzahlregelungseinrichtung (13) auf: einen Speicher (20) in dem eine Kalibrierkennlinie (22) hinterlegt ist, die eine über einen Verdichtungshub (15) des Verdichters (8) ermittelte Drehzahl (17) angibt, ein Kalibiermodul (24) zum Ermitteln einer Kalibrierdrehzahl (26) aus dem gemessenen Motorstrom (18), wobei die daraus ermittelte Drehzahl (17) über die Kalibrierkennlinie (22) auf den Verdichtungshub (15) als die Kalibrierdrehzahl (26) kalibrierbar ist, und ein Bestimmungsmodul (28) zur Ermittlung einer Betriebsdrehzahl (23), mittels dem im Betrieb aus dem gemessene Motorstrom (18) ein mittlerer Motorstrom (21) bestimmbar ist, aus dem die Betriebsdrehzahl (23) ermittelbar ist, und ein Vergleichsmodul (30) zum Abgleich (32) zwischen der Betriebsdrehzahl (23) und der Kalibierdrehzahl (26), und ein Regelmodul (34) mittels dem der Motorstrom (18) unter Änderung einer Motorspannung (M) derart regelbar ist, dass die Betriebsdrehzahl (23) der Kalibierdrehzahl (26) entspricht.

Description

Methode zur Drehzahlregelung eines mechanisch kommutierten Kompres sormotors
Die Erfindung betrifft einen mechanisch kommutierten Bürstenmotor für eine Verdichtereinrichtung mit einem Verdichter zur Drucklufterzeugung, mit einem Rotor und einem vorzugsweise permanenterregten Stator, aufweisend einen Stromsensor zur Messung eines Motorstroms, insbesondere eines Rotorstroms und eine elektronische Steuer- und Regeleinrichtung, die eine Drehzahlrege lungseinrichtung für den Rotor und einen Signaleingang vom Stromsensor für den gemessenen Motorstrom hat.
Ein mechanisch kommutierter Bürstenmotor mit Drehzahlregelung ist eine Al ternative zu einem drehzahlgeregelten bürstenlosen Gleichstrommotor (BLDC Motor). Ein BLDC Motor ist im Vergleich zu einem Bürstenmotor relativ teuer. Durch die Nutzung eines Bürstenmotors zur Drehzahlregelung lassen sich also Kosten senken.
Bürstenmotoren mit Drehzahlbestimmung oder -regelung sind bereits bekannt.
Die DE 10 2015 214 019 A1 beschreibt ein Verfahren zur Druckbestimmung eines Kleinkompressors ohne zusätzlichen Drucksensor. Hierzu wird entweder über die gemessene Drehzahl mit Drehzahlsensoren oder über den Stromver lauf der Ausgangsdruck bestimmt.
Die EP 0 676 858 B1 beschreibt eine Steuerelektronik die zwischen einer Rege lung über elektromotorische Kraft (EMK) und IxR-Kompensationsschaltung um schaltet. Eine Drehzahlregelung über EMK-Messung hat jedoch den Nachteil, dass der Motor zur Bestimmung der Drehzahl --d. h. zur Messung einer induzierten Spannung am Motor-- mit periodisch kurz unterbrochener Stromzufuhr betrie ben werden muss, was mit einer merklichen Geräuschbildung einhergeht. Die IxR-Kompensationsschaltung nutzt die Proportionalität zwischen gemessenem Motorstrom und dem zugehörigen Drehzahlabfall aus. Die Motorspannung steigt dabei proportional zum Motorstrom. Bei der IxR-Kompensationsschaltung unterliegt die Drehzahlregelkonstanz dem Einfluss von Temperatur und Alte rung bzw. Verschleiß des Bürstensystems. Daher ist die Drehzahlregelkonstanz des Verfahrens begrenzt.
Wünschenswert ist es, die Drehzahl, insbesondere geräuscharm, über die Le bensbetriebsdauer des Bürstenmotors in weitestgehend konstantem Rahmen zu ermitteln.
An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, mittels dem ein mechanisch kommutierten Bürs tenmotor für eine Verdichtereinrichtung mit einem Verdichter zur Drucklufter zeugung mit einem Rotor und einem vorzugsweise permanenterregten Stator in verbesserter Weise betreibbar ist. Insbesondere soll durch das Verfahren und die Vorrichtung die Akustik und Drehzahlkonstanz des Bürstenmotors verbes sert sein.
Hinsichtlich der Vorrichtung wird diese Aufgabe durch einen verbesserten me chanisch kommutierten Bürstenmotor mit Drehzahlregelung gemäß dem An spruch 1 gelöst.
Die Erfindung geht von einem mechanisch kommutierten Bürstenmotor für eine Verdichtereinrichtung mit einem Verdichter zur Drucklufterzeugung, mit einem Rotor und einem vorzugsweise permanenterregten Stator aus.
Der Bürstenmotor hat einen Stromsensor zur Messung eines Motorstroms, ins besondere eines Rotorstroms und eine elektronische Steuer- und Regeleinrich- tung mit einer Drehzahlregelungseinrichtung für den Rotor und einem Signal eingang für den vom Stromsensor gemessenen Motorstrom.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Drehzahlregelungseinrichtung auf weist:
- einen Speicher in dem eine Kalibrierkennlinie hinterlegt ist, die eine über einen Verdichtungshub des Verdichters, insbesondere unter kontrollierten Prüfbedin gungen, vorzugsweise in einem Neuzustand, des Bürstenmotors, ermittelte Drehzahl angibt,
- ein Kalibiermodul zum Ermitteln einer Kalibrierdrehzahl aus dem gemessenen Motorstrom, derart, dass insbesondere unter den kontrollierten Prüfbedingun gen die aus dem gemessenen Motorstrom ermittelte Drehzahl über die Kalib rierkennlinie auf den Verdichtungshub als die Kalibrierdrehzahl kalibrierbar ist, und
- ein Bestimmungsmodul zur Ermittlung einer Betriebsdrehzahl, mittels dem im Betrieb aus dem gemessene Motorstrom ein mittlerer Motorstrom bestimmbar ist, wobei aus dem mittleren Motorstrom die Betriebsdrehzahl ermittelbar ist, und
- ein Vergleichsmodul, mittels dem ein Abgleich zwischen der Betriebsdrehzahl und der Kalibierdrehzahl durchführbar ist, und
- ein Regelmodul mittels dem der Motorstrom unter Änderung einer Motorspan nung derart regelbar ist, dass die Betriebsdrehzahl der Kalibierdrehzahl ent spricht, insbesondere weitestgehend konstant bleibt, vorzugsweise die Be triebsdrehzahl innerhalb eines vorbestimmten Varianzbereichs um einen mittels der Kalibrierdrehzahl vorbestimmten Konstantwert liegt.
Die Erfindung führt auch zu einer Verdichtereinrichtung, einer Druckluftversor gungsanlage und einem Fahrzeug.
Wie oben erläutert führen bisherige Drehzahlregelungen zu einer erhöhten Akustik und/oder zu einer geringen Drehzahlkonstanz. Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass aus Gründen der Akustik ein Betrieb des Bürstenmo- tors bei konstanter Drehzahl vorteilhaft ist und diese daher mit einem geräusch armen Verfahren geregelt werden soll.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass das Vorhandensein einer Stromerhöhung durch den Verdichtungshub im Gegensatz zu bekannten An sätzen unabhängig vom Zustand des Bürstenmotors ist.
Mittels der Erfindung wird nun eine weitestgehend konstante Drehzahl über die Betriebsdauer des Motors durch den Abgleich zwischen der Betriebsdrehzahl und der Kalibierdrehzahl ermöglicht. Vorteilhafterweise ermöglicht die Erfin dung, eine weitestgehend konstante Drehzahl über die Betriebszeitdauer.
Erfindungsgemäß wird die weitestgehend konstante Drehzahl erreicht, indem in dem Speicher der elektronischen Steuer- und Regeleinrichtung eine Kalibrier kennlinie hinterlegt ist und der gemessene Motorstrom mittels des Kalibriermo duls, insbesondere unter kontrollierten Prüfbedingungen, als Kalibrierdrehzahl kalibrierbar ist.
Grundsätzlich kann eine Kalibrierkennlinie bei vielen Betriebszuständen des Bürstenmotors ermittelt werden; bevorzugt sind jedoch weitestgehend definierte Prüfbedingungen, die nicht zu viele Unwägbarkeiten haben, insbesondere sollte ein Bürstenmotor nicht bereits zu sehr unbekannt gealtert sein. In dem Sinne sind unter definierten Prüfbedingungen solche zu verstehen, die kontrolliert bzw. kontrollierbar sind. Unter kontrollierten Prüfbedingungen wird besonders vorzugsweise ein bekannter Zustand des Motors mit definiertem Verdichtungs hub verstanden. Dies ist beispielsweise weitestgehend in einem Neuzustand des Motors der Fall.
Im Betrieb wird die Drehzahl über die Lebensbetriebsdauer bzw. Betriebsdauer weitestgehend konstant gehalten durch Bestimmung einer Betriebsdrehzahl im Bestimmungsmodul, einem Abgleich zwischen Betriebsdrehzahl und der Kalib rierdrehzahl im Vergleichsmodul und einer Regelung des Motorstroms derart, dass die Betriebsdrehzahl der Kalibrierdrehzahl entspricht, vorzugsweise die Betriebsdrehzahl innerhalb eines vorbestimmten Varianzbereichs um einen mit tels der Kalibrierdrehzahl vorbestimmten Konstantwert liegt.
Gemäß dem Konzept der Erfindung ist die Betriebsdrehzahl durch das Bestim mungsmodul aus dem gemessenen mittleren Motorstrom, oder auch über den Wechselstromanteil des Bürstenmotors ermittelbar. Dieser Wechselstrom wird auch als Stromrippel bezeichnet. Er entsteht durch Lade- und Entladevorgänge im Bürstenmotor.
Es ist vorteilhaft, dass das Regelmodul die Betriebsdrehzahl durch den Ab gleich zwischen der Betriebsdrehzahl und der Kalibierdrehzahl im Vergleichs modul, unabhängig von Toleranzen, Alterungsprozessen des Bürstenmotors und Veränderungen des Klemmwiderstandes regelbar ist. Insbesondere ist dies vorteilhaft, da die Anpassung der Betriebsdrehzahl so nicht Über- oder Unter kompensiert werden kann.
Für die Anpassung der Betriebsdrehzahl ist es weiter vorteilhaft, dass der Ab gleich zwischen der Betriebsdrehzahl und der Kalibrierdrehzahl im Vergleichs modul in vorbestimmten oder jedenfalls definierten Kalibrier Zeitabständen durchführbar ist. Durch einen Abgleich in vorbestimmten oder jedenfalls Kalib- rier-Zeitabständen kann der Alterungsprozess des Bürstenmotors über die Le bensbetriebsdauer bzw. Betriebsdauer des Motors ausgeglichen werden. Ein Abgleich zwischen der Betriebsdrehzahl und der Kalibrierdrehzahl ist vorgese hen zu einem geeigneten Zeitpunkt mit hinreichend konstanten Bedingungen, beispielsweise bei konstanter Spannung und/oder konstanter Temperatur und/oder konstanter Motorleistung.
In einer Weiterbildung des Bürstenmotors mit Drehzahlregelung ist im
Stromsensor der Motorstrom während einer Einschaltphase der Motorspannung messbar, wobei das Bestimmungsmodul einen zur Drehmomentbildung beitra genden Motorstrom aus dem gemessenen Motorstrom approximiert.
Bei dieser Weiterbildung ist es vorteilhaft die Strommessung an der Masselei tung, auch Low-Side genannt, durchzuführen. Bei der Low-Side Strommessung ist als Stromsensor ein Messwiderstand zwischen den Bürstenmotor und Masse geschaltet. Bei einer solchen Schaltung ist der Motorstrom vorteilhafterweise während einer Einschaltphase der Motorspannung messbar. Eine Low-Side Strommessung ist einfach und kostengünstig.
In einer anderen Weiterbildung des Bürstenmotors mit Drehzahlregelung ist im Stromsensor der Motorstrom kontinuierlich messbar. Insbesondere ist der Mo torstrom während der Einschaltphase und einer Ausschaltphase der Motor spannung messbar, wobei das Bestimmungsmodul einen zur Drehmomentbil dung beitragenden Motorstrom aus dem gemessenen Motorstrom berechnet.
Bei dieser Weiterbildung ist es vorteilhaft die Strommessung an der Versor gungsspannungsleitung, auch High-Side genannt, durchzuführen. Bei einer sol chen High-Side Strommessung ist der Messwiderstand zwischen die Span nungsquelle und den Bürstenmotor geschaltet. Vorteilhafterweise lassen sich mit einer High-Side Strommessung Kurzschlussströme erkennen. Die High-Side Strommessung ist weiterhin nicht anfällig gegenüber Störungen am Massepfad, wodurch hier der Motorstrom kontinuierlich messbar ist.
Die elektronische Steuer- und Regeleinrichtung kann einen Analog-Digital- Umsetzer-Eingang und einen Pulsweitenmodulations-Ausgang aufweisen.
Vorteilhafterweise kann mit Pulsweitenmodulations-Ausgang der elektronischen Steuer- und Regeleinrichtung die Betriebsdrehzahl des Bürstenmotors durch ein einstellbares Tastverhältnis angepasst werden. Beispielsweise kann das Tastverhältnis bei zu hoher Betriebsdrehzahl verringert werden und bei zu nied riger Betriebsdrehzahl erhöht werden. Der Analog-Digital-Umsetzer ist dazu ausgebildet ein pulsweitenmoduliertes Signal, insbesondere ein pulsweitenmo duliertes Spannungssignal, in ein digitales Signal umzuwandeln.
In einer Weiterbildung weist der Bürstenmotor mit Drehzahlregelung eine Puls weitenmodulationseinheit mit einstellbarem Tastverhältnis auf. Der Speicher der elektronischen Steuer- und Regeleinrichtung hat dann zusätzlich eine Lookup- Tabelle hinterlegt, mit der das Tastverhältnis abhängig von Eingangsgrößen Motorlast und Bordnetzspannung bestimmbar ist. Eine Bestimmung des Tastverhältnisses ist vorteilhaft zu einer Vermeidung von aufwendigen Berechnungen. Dadurch ist eine schnelle Änderung der Motor spannung zum Regeln des Motorstroms möglich.
Der Stromsensor kann einen Messwiderstand und eine Verstärkereinheit auf weisen. Mit dem Messwiderstand ist der Motorstrom indirekt über einen Abfall der Motorspannung messbar. Mit der Verstärkereinheit sind kleine Änderungen im Motorspannungssignal messbar.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die oben genannte Aufgabe durch eine Verdichtereinrichtung umfassend einen Antrieb mit dem erfindungs gemäßen Bürstenmotor und einen Verdichter, insbesondere einen Kompressor, vorzugsweise für einen Druckluftabnehmer eines Fahrzeugs, wie eine Luftfe deranlage oder eine Bremsanlage, gelöst.
Vorteilhafterweise wird die Betriebsdrehzahl des Verdichters über eine Anpas sung des Motorstroms auf die Kalibrierdrehzahl geregelt. Dadurch wird die Be triebsdrehzahl des Verdichters weitestgehend konstant gehalten, indem die Be triebsdrehzahl auf die Kalibrierdrehzahl geregelt wird. Insbesondere sollte diese über die Lebensbetriebsdauer bzw. Betriebsdauer weitestgehend konstant blei ben. Vorzugsweise sollte die Betriebsdrehzahl innerhalb eines vorbestimmten Varianzbereichs um einen mittels der Kalibrierdrehzahl vorbestimmten Kon stantwert liegen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die oben genannte Aufgabe durch eine Druckluftversorgungsanlage, vorzugsweise für einen Druckluftab nehmer eines Fahrzeugs, insbesondere eine Luftfederanlage und/oder eine Bremsanlage, aufweisend eine erfindungsgemäße Verdichtereinrichtung, ge löst.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die oben genannte Aufgabe durch ein Fahrzeug, aufweisend eine erfindungsgemäße Druckluftversorgungs anlage, gelöst. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die oben genannte Aufgabe durch ein Verfahren zur Drehzahlregelung zum Betrieb einer Verdichtereinrich tung gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
- Messen eines Motorstroms und eines Verdichtungshubs;
- Ermitteln der zugehörigen Drehzahlen aus der Messung des Motorstroms und der Messung des Verdichtungshubs;
- Kalibrieren der Drehzahl aus der Messung des Motorstroms über die Drehzah len aus der Messung des Verdichtungshubs als Kalibrierdrehzahl;
- Messen des Motorstroms im Betrieb und Ermittlung einer Betriebsdrehzahl;
- Abgleichen zwischen der Betriebsdrehzahl und der Kalibierdrehzahl und
- Regeln des Motorstroms derart, dass die Betriebsdrehzahl auf die Kalibrier drehzahl geregelt wird, insbesondere weitestgehend konstant bleibt, vorzugs weise die Betriebsdrehzahl innerhalb eines vorbestimmten Varianzbereichs um einen mittels der Kalibrierdrehzahl vorbestimmten Konstantwert liegt.
Vorteilhaft ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine Drehzahlregelung unabhängig vom Zustand des Bürstenmotors. Das Messen des Motorstroms, das Abgleichen zwischen der Betriebsdrehzahl und der Kalibierdrehzahl und das Regeln des Motorstroms kann automatisiert durchgeführt werden, ohne dass einzelne Verfahrensschritte eine manuelle Bedienung des Nutzers erfor dern.
Weiterhin umfasst das Verfahren eine Approximation eines zur Drehmomentbil dung beitragenden Motorstroms aus dem gemessenen Motorstrom.
In einer Weiterbildung des Verfahrens findet der Abgleich der Betriebsdrehzahl und der Kalibierdrehzahl in definierten Kalibrier-Zeitabständen, insbesondere, wenn über die Motorstrommessung ein geeigneter Zeitpunkt mit hinreichend konstanten Bedingungen nachgewiesen ist, statt. In einer möglichen Weiterbildung des Verfahrens ist ein Tastverhältnis einer Pulsweitenmodulation bestimmt festgelegt. Das Tastverhältnis ist in einer Lookup-Tabelle abhängig von Eingangsgrößen bestimmt festgelegt ist, insbe sondere abhängig von Eingangsgrößen wie Last und Bordnetzspannung be stimmt festgelegt. Mittels der Festlegung des Tastverhältnisses in der Lookup- Tabelle kann Speicherplatz eingespart und/oder eine schnellere Regelung der Betriebsdrehzahl erreicht werden.
Das Konzept der Erfindung ist nicht beschränkt auf eine Druckluftversorgungs anlage oder einen Druckluftabnehmer eines Fahrzeugs, wie beispielsweise eine Luftfederanlage oder eine Bremsanlage, aufweisend einen Verdichter zur Drucklufterzeugung, unter Verwendung eines Bürstenmotors. Vielmehr dient das der Erfindung zugrundeliegende Verfahren als generelle Methode, um Bürstenmotoren mit konstanten Drehzahlen zu betrieben.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeich nung beschrieben. Diese soll die Ausführungsformen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hin blick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berück sichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Er findung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im Folgen den gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsform oder be schränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungs- bereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nach folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung.
Im Einzelnen zeigt die Zeichnung in:
Fig. 1 eine Verdichtereinrichtung mit Bürstenmotor,
Stromsensor und elektronische Steuer- und Re geleinrichtung gemäß einer bevorzugten Ausfüh rungsform;
Fig. 2A und 2B eine Verdichtereinrichtung mit Bürstenmotor nach einer ersten Ausführungsform und einer zweiten Aus führungsform;
Fig. 3 einen Stromverlauf eines Kompressors und die dar aus durch Filterung zu gewinnenden Signale;
Fig. 4A, Fig. 4B, Fig. 4CFig. 4D simulierte Stromverläufe bei unterschiedlichen
Bürstenmotoreinstellungen;
Fig. 5 Verfahren zur Drehzahlregelung gemäß einer bevor zugten Ausführungsform; und
Fig. 6 ein Fahrzeug mit Druckluftversorgungsanlage gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.
Fig. 1 zeigt eine Verdichtereinrichtung 100 mit Bürstenmotor 10, Stromsensor 14 und elektronische Steuer- und Regeleinrichtung 12. Der Bürstenmotor 10 weist zudem einen Rotor 9 und einen Stator 1 1 auf. Der Stromsensor 14 ist ausgebildet einen Motorstrom, insbesondere einen Ro torstrom, als Funktion der Zeit, auch als gemessener Motorstrom 18 bezeich net, zu messen. Der gemessene Motorstrom 18 wird von dem Stromsensor 14 über einen Signaleingang 16 an die elektronische Steuer- und Regeleinrichtung 12 weitergegeben.
Die elektronische Steuer- und Regeleinrichtung 12 hat eine Drehzahlregelungs einrichtung 13 mit einem Speicher 20, einem Kalibriermodul 24, einem Bestim mungsmodul 28, einem Vergleichsmodul 28 und einem Regelmodul 34.
Im Speicher 20 ist eine Kalibrierkennlinie 22 hinterlegt, die eine über einen Ver dichtungshub 15 des Verdichters 8 ermittelte Drehzahl 17 angibt. Die über den Verdichtungshub 15 ermittelte Drehzahl 17 ist unter kontrollierten Prüfbedin gungen, vorzugsweise im Neuzustand, des Bürstenmotors 10 gut messbar. Au ßerdem ist in dem Speicher 20 eine Lookup-Tabelle 29 hinterlegt Mit der Lookup-Tabelle 29 kann die Regelung der Betriebsdrehzahl 23 schneller erfol gen, da eine mathematische Berechnung bei der Verwendung der Lookup- Tabelle 29 nicht benötigt wird. In der Lookup-Tabelle 29 ist ein Tastverhältnis TV einer Pulsweitenmodulationseinheit abhängig von dem Eingangsgrößen 31 Last L und Bordnetzspannung BNS hinterlegt.
Im Kalibriermodul 24 wird eine Kalibrierdrehzahl 26 aus dem gemessenen Mo torstrom 18, der unter kontrollierten Prüfbedingungen, vorzugsweise im Neuzu stand, des Bürstenmotors 10 gemessen wird, ermittelt. Zum Ermitteln der Kalib rierdrehzahl 26 wird die aus dem gemessenen Motorstrom 18 ermittelte Dreh zahl 17 über die Kalibrierkennlinie 22 auf den Verdichtungshub 15 kalibriert.
Das Bestimmungsmodul 28 erhält im Betrieb des Bürstenmotors 10 über den Signaleingang 16 den gemessenen Motorstrom 18. Aus dem im Betrieb ge messenen Motorstrom 18 ist ein mittlerer Motorstrom 21 bestimmbar, wobei aus dem mittleren Motorstrom 21 die Betriebsdrehzahl 23 ermittelbar ist.
Das Vergleichsmodul 30 empfängt die Betriebsdrehzahl 23 und die Kalibrier drehzahl 26 und ist ausgebildet einen Abgleich 32 zwischen der Betriebsdreh zahl 23 und der Kalibrierdrehzahl 26 durchzuführen. Mit dem Vergleichsmodul 30 ist somit ermittelbar, ob die der Betriebsdrehzahl 23 und der Kalibrierdreh zahl 26 voneinander abweichen. Das Regelmodul 34 ist dazu ausgebildet vom Vergleichsmodul 30 ein Ergebnis des Abgleichs 32 zu empfangen und daraufhin den Motorstrom 18 unter Ände rung einer Motorspannung M derart zu regeln, dass die Betriebsdrehzahl 23 der Kalibrierdrehzahl 26 entspricht. Dabei bleibt die Betriebsdrehzahl 23 innerhalb eines vorbestimmten Varianzbereichs V, der um einen mittels der Kalibrierdreh zahl 26 vorbestimmten Konstantwert K liegt.
Fig. 2A zeigt eine Verdichtereinrichtung 100‘ mit Bürstenmotor 10‘ nach einer ersten Ausführungsform. In diesem ersten Ausführungsbeispiel hat Verdichter einrichtung 100‘ eine elektronische Steuer- und Regeleinrichtung 12‘, einen Stromsensor 14‘ mit Messwiderstand RSEN‘ und Verstärkereinheit 38‘, der zwi schen Masse 39‘ und Motorlast 40‘ eingebaut ist, und einen Schalter 36‘, der zwischen der Motorlast 40‘ und dem Stromsensor 14‘ eingebaut ist. Der Bürs tenmotor 10‘ ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Gleichspannungsmotor, der von einer Spannungsquelle 41‘versorgt wird.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die elektronische Steuer- und Regeleinrich tung 12‘ ein Mikrokontroller. Die elektronische Steuer- und Regeleinrichtung 12‘ hat einen Analog-Digital-Umsetzer-Eingang ADC Input und einen Pulsweiten- modulations-Ausgang PWM Output. Der Analog-Digital-Umsetzer ADC ist dazu ausgebildet ein pulsweitenmoduliertes Signal in ein digitales Signal umzuwan deln. Der Pulsweitenmodulations-Ausgang PWM Output der elektronischen Steuer- und Regeleinrichtung 12‘ ist dazu ausgebildet, die Betriebsdrehzahl 23 des Bürstenmotors 10‘ durch ein einstellbares TastverhältnisTV anzupassen. Das Tastverhältnis TV wird vorliegend durch die Dauer der Einschaltphase toN der Motorspannung zur Dauer der Pulsperiode, das heißt der Einschalt- und Ausschaltphase ΪON+OFF, bestimmt.
Der Schalter 36‘ ist ein N-Kanal MOSFET-Schalter. Ein N-Kanal-MOSFET weist Gate, Drain und Source auf. Bei geöffneten Schalter 36‘ liegt das Gate des MOSFETs über einen Gatewiderstand RG‘ auf demselben Potential wie die Ver sorgungsspannung aus der Spannungsquelle 4T, der MOSFET wird nicht an gesteuert und der Bürstenmotor 10‘ wird nicht mit Spannung versorgt. Der Ga tewiderstand RQ‘ ist zwischen den Pulsweitenmodulations-Ausgang PWM Out- put und den Schalter 36‘geschaltet, um das Gate bei offenen Schalter 36‘ auf Null-Spannung zu regeln. Schließt der Schalter, sinkt die Gatespannung des N- Kanal-MOSFET, der MOSFET steuert durch und den Bürstenmotor 10‘ wird mit Spannung versorgt. Ein solcher Verlauf der Getespannung ist in Fig. 4A, Fig. 4B, Fig. 4C und Fig. 4D zu sehen.
Es wird eine Diode 42‘ über die Motorlast 40‘ geschaltet, um die vom Motor 10‘ beim Ausschalten des Schalters 36‘ erzeugte Spannung abzubauen.
In dieser Ausführungsform hat der Stromsensor 14‘ einen Messwiderstand RSEN‘, über den das abfallende Motorspannungssignal gemessen und in ein Motorstromsignal umgerechnet wird. Mit Hilfe der Verstärkereinheit 38‘ sind auch kleine Änderungen im Motorspannungssignal messbar. Die Verstärkerein heit weist in diesem Ausführungsbeispiel einen Differentialverstärker 43‘ und einen Verstärkungswiderstand RLP‘ auf. Mit dem Verstärkungswiderstand RLP‘ kann die Verstärkung eingestellt werden. Zudem weist die Anordnung noch ei nen Kondensator CLP‘ auf. Der Kondensator CLP‘ dient zum Filtern der Aus gangsspannung. Bei einer solchen Anordnung ist der Motorstrom nur während einer Einschaltphase toN der Motorspannung messbar; dies gemäß einer ersten Messmethode, die mit einer Einschaltphase toN des Bürstenmotors 10‘ arbeitet. Eine solche Strommessung ist einfach und kostengünstig.
Fig. 2B zeigt eine Verdichtereinrichtung 100“ mit Bürstenmotor 10“ nach einer zweiten Ausführungsform. Diese zweite Ausführungsform der Verdichtereinrich tung 100“ hat dieselben Komponenten wie die Verdichtereinrichtung 100“ des ersten Ausführungsbeispiels aus Fig. 2A. Die Funktionalität Komponenten wie der Steuer- und Regeleinrichtung 12“, des Schalters 36“ und des Bürstenmo tors 10“ mit Motorlast 40“ und Diode 42“ hat sich in diesem Aufbau nicht geän dert.
Die Ausführungsform der Verdichtungseinrichtung 100“ aus Fig. 2B unterschei det sich von der Ausführungsform der Verdichtungseinrichtung 100‘ aus Fig. 2A dadurch, dass die eine elektronische Steuer- und Regeleinrichtung 12“ mit Messwiderstand RSEN“ und Verstärker 28“ zwischen der Spannungsquelle 41“ und der Motorlast 40“ angeordnet ist. Mit einer solchen Anordnung lassen sich Kurzschlussströme erkennen. Diese Strommessung ist weiterhin nicht anfällig gegenüber Störungen am Massepfad, wodurch hier der Motorstrom kontinuier lich messbar ist; dies gemäß einer zweiten Messmethode, die mit einer Ein- und Ausschaltphase ΪON+OFF des Bürstenmotor 1 0“ arbeitet und den Motorstrom durchgehend über eine gesamte Periode, insofern kontinuierlich, misst.
Fig. 3 zeigt einen Motorstromverlauf 18‘ eines Verdichters, insbesondere eines Kompressors, und die daraus durch Filterung zu gewinnenden Signale. Der in Fig. 1 symbolisch gezeigte gemessene Motorstrom 18 ist in Fig. 3 konkret als ein beispielhaft gemessener Motorstromverlauf 18‘ dargestellt und zeigt inso fern einen idealisierten Verlauf eines Motorstroms eines zweistufigen Kompres sors. Eine Umdrehung des Rotors ist mit T eingeblendet. Der Motorstromverlauf 18‘ zeigt einen annähernd sinusförmigen Verlauf mit Stromrippein 49. Ein Mo torstromsignal ergibt sich aus einer Überlagerung von dem Stromverlauf des Bürstenmotors resultierend aus dem Verdichtungshub 48 und dem Stromverlauf des Bürstenmotors resultierend aus der Kommutierung 50. Sowohl der Verdich tungshub 48 als auch die Kommutierung 50 sind als gefiltertes Signal 47, 49 dargestellt. Aus dem Stromverlauf 46 lässt sich der mittlere Motorstrom 21 in dem in Fig. 1 gezeigten Bestimmungsmodul 28 bestimmen. Aus dem mittleren Motorstrom kann die Betriebsdrehzahl 23 ermittelt werden.
Da sich bei einem zweistufigen Kompressor der Strom bei der Verdichtung 46 von dem Strom bei der Expansion 44 unterscheidet, sind die Maxima des Mo torstroms unterschiedlich. Die Stromrippel 49 entstehen durch die mechanische Kommutierung 50 des Bürstenmotors. Die gefilterten Signale des Verdich tungshubs 48 und der Kommutierung 50 sind separat dargestellt.
Um eine Abhängigkeit des in Fig. 1 symbolisch gezeigten gemessenen Motor stroms 18 von gewissen Einstellungen am Motor zu verdeutlichen sind in Fig. 4A, Fig. 4B, Fig.4C und Fig. 4D Motorstromverläufe 18“ als simulierte Motor stromverläufe 54, 54‘, 54“, 54‘“ abhängig vom Verlauf der Gatespannung des MOSFET-Schalters 52, 52‘, 52“, 52‘“, und von Größen wie der Frequenz des Pulsweitenmodulationsbetriebes (PWM Betriebes), dem Tastverhältnis der PWM und der Last dargestellt. Fig. 4A, Fig. 4B, Fig.4C und Fig. 4D werden im Folgenden gemeinsam be schrieben, um auch den zur Drehmomentbildung beitragenden Motorstrom lti , U2 aus dem gemessenen Motorstrom 18 zu erläutern. Je nach Messmethode kann der beitragende Motorstrom lti , lt2 entweder gemäß der oben genannten ersten Messmethode (Fig. 2A) der Einschalt-Motorstrom lt1=MoN während einer Ein schaltphase toN sein oder gemäß der oben genannten zweiten Messmethode (Fig. 2B) der Ein- und Ausschalt-Motorstrom lt2=M0N+0FF während einer Ein schalt- und Ausschaltphase ΪON+OFF sein. In Fig. 4A, Fig. 4B, Fig.4C und Fig. 4D sind Einschalt-Motorstrom MON als beitragenden Motorstrom lti gemäß der oben genannten ersten Messmethode und Ein- und Ausschalt-Motorstrom MON+OFF als beitragenden Motorstrom lt2 gemäß der oben genannten zweiten Messme thode zu der Einschaltphase toN und Einschalt- und Ausschaltphase ΪON+OFF je weils dargestellt.
Fig. 4A zeigt einen simulierten Motorstromverlauf 54 eines Bürstenmotors bei 9V Gatespannung, 4kFlz PWM Betriebsfrequenz, 75% Tastverhältnis und nied riger Last.
Fig. 4B zeigt einen simulierten Motorstromverlauf 54‘ eines Bürstenmotors bei 12V Gatespannung, 4kFlz PWM Betriebsfrequenz, 60% Tastverhältnis und niedriger Last.
Fig. 4C zeigt einen simulierten Motorstromverlauf 54“ eines Bürstenmotors bei 12V Gatespannung, 4kHz PWM Betriebsfrequenz, 75% Tastverhältnis und ho her Last.
Fig. 4D zeigt einen simulierten Motorstromverlauf 54‘“ eines Bürstenmotors bei 16V Gatespannung, 4kHz PWM Betriebsfrequenz, 45% Tastverhältnis und niedriger Last.
Bei dem Einschalten der Gatespannung 52, 52‘, 52“, 52“‘steigt der Motorstrom 54, 54‘, 54“, 54‘“ an. Dies entspricht dem Verlauf des Motorstroms 54, 54‘, 54“, 54‘“ während der Einschaltphase toN der Gatespannung 52, 52‘, 52“, 52‘“. Der Anstieg ist abhängig von den Betriebsbedingungen.
Während der Ausschaltphase toFF, also bei ausgeschalteter Gatespannung 52, 52‘, 52“, 52“‘fällt der Motorstrom 54, 54‘, 54“, 54‘“ ab. Auch dieser Abfall ist abhängig von den Betriebsbedingungen. Aus dem mittleren Motorstrom, der wie in Fig. 3 gezeigt bestimmbar ist, lässt sich die Betriebsdrehzahl 23 berech nen.
Fig. 5 zeigt eine Verfahren zur Drehzahlregelung 200 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform. In dem Verfahren zur Drehzahlregelung wird in einem ersten Schritt S1 der Motorstrom 18 und der Verdichtungshub 15 unter kontrollierten Prüfbedingungen gemessen. In einem zweiten Schritt S2 wird jeweils aus der Messung des Motorstroms 18 und der Messung des Verdichtungshubs 15 eine zugehörige Drehzahl 17 ermittelt. Die Drehzahl aus der Messung des Motor stroms wird in einem dritten Schritt S3 auf die Drehzahl 17 aus der Messung des Verdichtungshubs 15 kalibriert. Die so ermittelte Drehzahl wird als Kalib rierdrehzahl 26 genutzt. Im Betrieb des Verdichters 8 wird der Motorstrom 18 gemessen und daraus eine Betriebsdrehzahl 23 ermittelt S4. Die Betriebsdreh zahl 23 wird aus einem gemittelten Motorstrom 21 berechnet. In einem nächs ten Schritt S5 wird die Kalibrierdrehzahl 26, die unter kontrollierten Prüfbedin gungen ermittelt worden ist, und die Betriebsdrehzahl 23 miteinander abgegli chen. Weichen die Kalibrierdrehzahl 26 und die Betriebsdrehzahl 23 voneinan der ab, so wird in einem letzten Schritt S6 der Motorstrom 18 so geregelt, dass die Betriebsdrehzahl 23 auf die Kalibrierdrehzahl 26 geregelt wird und so wei testgehend konstant bleibt. Vorzugsweise liegt die Betriebsdrehzahl 23 inner halb eines vorbestimmten Varianzbereichs V um einen mittels der Kalibrier drehzahl 26 vorbestimmten Konstantwert K.
Fig. 6 zeigt ein Fahrzeug 600 mit Druckluftversorgungsanlage 500 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform. Die Druckluftversorgungsanlage 500 kann Druckluftabnehmer 505, wie eine Luftfederanlage 510 oder eine Bremsanlage 520, des Fahrzeugs 600 antreiben. Bezugszeichenliste
8 Verdichter
9 Rotor
10, 10‘, 10“ Bürstenmotor
11 Stator
12, 12‘, 12“ elektronische Steuereinrichtung
13 Drehzahlregelungseinrichtung
14, 14‘, 14“ Stromsensor
15 Verdichtungshub
16 Signaleingang
17 Drehzahl
18 gemessener Motorstrom
18‘ beispielhaft gemessener Motorstromverlauf
18“ Motorstromverlauf simuliert abhängig von gewissen Motoreinstellungen
20 Speicher
21 mittlerer Motorstrom
22 Kalibrierkennlinie
23 Betriebsdrehzahl
24 Kalibriermodul
26 Kalibrierdrehzahl
28 Bestimmungsmodul
29 Lookup-Tabelle
30 Vergleichsmodul
31 Eingangsgrößen
32 Abgleich
34 Regelmodul
36‘, 36“ Schalter
37‘, 37“ Pulsweitenmodulationseinheit
38‘, 38“ Verstärkereinheit
39‘ Masse
40‘, 40“ Motorlast
41‘, 41“ Spannungsquelle 42‘, 42“ Diode
43‘, 43“ Differentialverstärker
44 Strom bei der Expansion
46 Strom bei der Verdichtung
47 gefiltertes Signal Verdichtungshub
48 Verdichtungshub
49 gefiltertes Signal Kommutierung, Wechselstromanteil
50 Kommutierung
52, 52‘, 52“, 52‘“ Gatespannung 54, 54‘, 54“, 54‘“ Motorstrom
100, 100‘,100“ Verdichtereinrichtung
200 Verfahren zur Drehzahlregelung
500 Druckluftversorgungsanlage
505 Druckluftabnehmer
510 Luftfederanlage
520 Bremsanlage
600 Fahrzeug
ADC Analog-Digital-Umsetzer
ADC Input Analog-Digital-Umsetzer Eingang
BNS Bordnetzspannung
CLP‘, CLP“ Kondensator
lti , \\2 beitragender Motorstrom gemäß erster und zweiter Messmethode K vorbestimmter Konstantwert
L Last
M Motorspannung
M0N Einschalt-Motorstrom
MON+OFF Ein- und Ausschalt-Motorstrom
PWM Pulsweitenmodulation
PWM Output Pulsweitenmodulations-Ausgang
RG‘, RG“ Gatewiderstand
RLP‘, RLP“ Verstärkungswiderstand
RSEN‘, RSEN“ Messwiderstand
51 Messen eines Motorstroms und eines Verdichtungshubs
52 Ermitteln der Drehzahlen 53 Kalibrieren
54 Messen des Motorstromes im Betrieb
55 Abgleichen
56 Regeln des Motorstroms
T Umdrehung des Rotors
TV Tastverhältnis
toN Einschaltphase
toFF Ausschaltphase
toN+oFF Ein- und Ausschaltphase At Kalibrier-Zeitabstände
V vorbestimmter Varianzbereich

Claims

Ansprüche
1. Mechanisch kommutierter Bürstenmotor (10) für eine Verdichtereinrichtung (100) mit einem Verdichter (8) zur Drucklufterzeugung, mit einem Rotor (9) und einem vorzugsweise permanenterregten Stator (1 1 ), aufweisend einen
Stromsensor (14) zur Messung eines Motorstroms (18), insbesondere eines Rotorstroms, und eine elektronische Steuer- und Regeleinrichtung (12), die eine Drehzahlregelungseinrichtung (13) für den Rotor und einen Signaleingang (16) für den vom Stromsensor (14) gemessenen Motorstrom (18) hat, dadurch ge kennzeichnet, dass
die Drehzahlregelungseinrichtung (13) aufweist:
einen Speicher (20) in dem eine Kalibrierkennlinie (22) hinterlegt ist, die eine über einen Verdichtungshub (15) des Verdichters (8) ermittelte Drehzahl (17) angibt,
ein Kalibiermodul (24) zum Ermitteln einer Kalibrierdrehzahl (26) aus dem gemessenen Motorstrom (18), derart, dass die aus dem gemessenen Mo torstrom (18) ermittelte Drehzahl (17) über die Kalibrierkennlinie (22) auf den Verdichtungshub (15) als die Kalibrierdrehzahl (26) kalibrierbar ist, und
ein Bestimmungsmodul (28) zur Ermittlung einer Betriebsdrehzahl (23), mittels dem im Betrieb aus dem gemessene Motorstrom (18) ein mittlerer Mo torstrom (21 ) bestimmbar ist, wobei aus dem mittleren Motorstrom (21 ) die Be triebsdrehzahl (23) ermittelbar ist, und
ein Vergleichsmodul (30), mittels dem ein Abgleich (32) zwischen der Be triebsdrehzahl (23) und der Kalibierdrehzahl (26) durchführbar ist, und
ein Regelmodul (34) mittels dem der Motorstrom (18) unter Änderung ei ner Motorspannung (M) derart regelbar ist, dass die Betriebsdrehzahl (23) der Kalibierdrehzahl (26) entspricht, insbesondere weitestgehend konstant bleibt, vorzugsweise die Betriebsdrehzahl (23) innerhalb eines vorbestimmten Vari anzbereichs (V) um einen mittels der Kalibrierdrehzahl (26) vorbestimmten Konstantwert (K) liegt.
2. Bürstenmotor (10) mit Drehzahlregelung nach Anspruch 1 , dadurch gekenn zeichnet, dass durch das Bestimmungsmodul (28) die aus dem gemessenen Motorstrom (18) ermittelte Betriebsdrehzahl (23) über einen Wechselstromanteil (49) des Bürstenmotors (10) ermittelbar ist.
3. Bürstenmotor (10) mit Drehzahlregelung nach dem Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsdrehzahl (23) mit dem Regelmodul (34), durch den Abgleich (32) zwischen der Betriebsdrehzahl (23) und der Kali bierdrehzahl (26) im Vergleichsmodul (30), unabhängig von Toleranzen, Alte rungsprozessen des Bürstenmotors (10) und Veränderungen des Klemmwider standes regelbar ist.
4. Bürstenmotor (10) mit Drehzahlregelung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Vergleichsmodul (30) in regelmäßigen Ab ständen der Abgleich (32) zwischen der Betriebsdrehzahl (23) und der Kalibier drehzahl (26) durchführbar ist.
5. Bürstenmotor (10) mit Drehzahlregelung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Stromsensor (14) der Motorstrom (18) wäh rend einer Einschaltphase (ΪON) der Motorspannung (M) messbar ist, wobei das Bestimmungsmodul (28) einen zur Drehmomentbildung beitragenden Motor strom (In, lt2) aus dem gemessenen Motorstrom (18) approximiert.
6. Bürstenmotor (10) mit Drehzahlregelung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Stromsensor (14) der Motorstrom (18) konti nuierlich messbar ist, insbesondere während der Einschaltphase (ΪON) und einer Ausschaltphase (toFF) der Motorspannung (M), wobei das Bestimmungsmodul (28) einen zur Drehmomentbildung beitragenden Motorstrom (lti, l^) aus dem gemessenen Motorstrom (18) berechnet.
7. Bürstenmotor (10) mit Drehzahlregelung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuer- und Regeleinrichtung (12) einen Analog-Digital-Umsetzer (ADC)-Eingang und einen Pulsweitenmodu- lations(PWM)-Ausgang aufweist.
8. Bürstenmotor (10) mit Drehzahlregelung nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, dass eine Pulsweitenmodulationseinheit (37) mit einstellbarem Tast verhältnis (TV), aufweist, wobei in dem Speicher (20) der elektronische Steuer- und Regeleinrichtung (12) zusätzlich eine Lookup-Tabelle(29) hinterlegt ist mit der das Tastverhältnis (TV) abhängig von Eingangsgrößen (31 ) Last (L) und Bordnetzspannung (BNS) bestimmbar ist.
9. Bürstenmotor (10) mit Drehzahlregelung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromsensor (14) einen Messwiderstand (RSEN) und eine Verstärkereinheit (38) aufweist.
10. Verdichtereinrichtung (100) umfassend einen Antrieb mit einem Bürstenmo tor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und einen Verdichter (8), insbeson dere einen Kompressor, vorzugsweise für einen Druckluftabnehmer (505) eines Fahrzeugs (600), wie eine Luftfederanlage (510) oder eine Bremsanlage (520).
11. Verdichtereinrichtung (100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsdrehzahl (23) des Verdichters (8) über eine Anpassung des Motorstroms (18) konstant gehalten wird.
12. Druckluftversorgungsanlage (500), vorzugsweise für einen Druckluftabneh mer (505) eines Fahrzeugs (600), insbesondere eine Luftfederanlage (510) und/oder eine Bremsanlage (520), aufweisend eine Verdichtereinrichtung (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 1 1.
13. Fahrzeug (600) aufweisend eine Druckluftversorgungsanlage (500) nach Anspruch 12.
14. Verfahren zur Drehzahlregelung (200) zum Betrieb einer Verdichtereinrich tung (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 1 1 mit einem Bürstenmotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend die Schritte:
- Messen (S1 ) eines Motorstroms (18) und eines Verdichtungshubs (15); - Ermitteln (S2) der zugehörigen Drehzahlen (17) aus der Messung des Motor stromes (18) und der Messung des Verdichtungshubs (15);
- Kalibrieren (S3) der Drehzahl aus der Messung des Motorstromes (18) über die Drehzahlen (17) aus der Messung des Verdichtungshubs (15) als Kalibrier drehzahl (26);
- Messen (S4) des Motorstroms (18) im Betrieb und Ermittlung einer Betriebs drehzahl (23);
- Abgleichen (S5) zwischen der Betriebsdrehzahl (23) und der Kalibierdrehzahl (26) und
- Regeln (S6) des Motorstroms (18) derart, dass die Betriebsdrehzahl (23) auf die Kalibrierdrehzahl (26) geregelt wird, insbesondere weitestgehend konstant bleibt, vorzugsweise die Betriebsdrehzahl (23) innerhalb eines vorbestimmten Varianzbereichs (V) um einen mittels der Kalibrierdrehzahl (26) vorbestimmten Konstantwert (K) liegt.
15. Verfahren (200) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Ver fahren weiterhin eine Approximation eines zur Drehmomentbildung beitragen den Motorstroms (lti , ) aus dem gemessenen Motorstrom (18) umfasst.
16. Verfahren (200) nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgleich der Betriebsdrehzahl (23) und der Kalibierdrehzahl (26) in vorbe stimmten Kalibrier-Zeitabständen (At) stattfindet.
17. Verfahren (200) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekenn zeichnet, dass ein Tastverhältnis (TV) einer Pulsweitenmodulation (PWM) be stimmt ist, insbesondere dass das Tastverhältnis (TV) in einer Lookup-Tabelle (29) abhängig von Eingangsgrößen (31 ) bestimmt ist, insbesondere Last (L) und Bordnetzspannung (BNS) bestimmt ist.
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