DE19756957A1 - Verfahren zur Drehzahlregelung eines Bürsten-Gleichstrommotors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors, insbesondere eines Bürsten-Gleichstrommotors, wie etwa eines Brennluftgebläse-Motors für ein Fahrzeugzusatzheizgerät, unter Erfassung und Auswertung eines von der elektromotorischen Kraft des laufenden Gleichstrommotors hervorgerufenen Signals, und unter Nachregelung der Ist-Drehzahl durch Vergleich mit einer Soll-Drehzahl.

Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der DE 39 28 114 C2 bekannt, demnach die Drehzahl eines Brennluftgebläse-Motors für ein Fahrzeugheizgerät stabilisiert werden soll, um weitgehend konstante Verbrennungswerte zu erhalten. Zu diesem Zweck wird die elektromotorische Kraft im ansteuerfreien Zustand des Brennluftgebläse-Motors als Ist- Größe ermittelt und auf einen vorgegebenen Sollwert geregelt.

Darüber hinaus ist es bekannt, zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors einen Hall- Sensor bzw. optische Sensoren zu verwenden. Außerdem kann eine Drehzahlsteuerung für einen Elektromotor von der anliegenden Versorgungsspannung abgeleitet werden.

Die Ermittlung der Drehzahl eines Gleichstrommotors direkt aus der elektromotorischen Kraft hat den Nachteil, daß diese einen Temperaturgang aufweist, wobei bei schwankender Temperatur auch die geregelte Drehzahl schwankt. Außerdem werden dabei Veränderungen im Magnetkreis nicht kompensiert.

Die Verwendung eines Hall-Sensors zur Drehzahlermittlung hat den Nachteil hoher Kosten für Meßwertgeber und -aufnehmer. Dasselbe trifft für die Verwendung optischer Sensoren zur Drehzahlermittlung zu. Die Drehzahlsteuerung basierend auf der Versorgungsspannung hat den Nachteil, daß sie ungenau ist, und das Langzeitverhalten, wie beispielsweise Lagertoleranzen und Temperaturgang nicht berücksichtigt werden können.

Angesichtes dieses Standes der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors zu schaffen, die temperaturunabhängig und unabhängig von der Alterung des Motors ist und kostengünstig realisiert werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe für ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Demnach basiert das erfindungsgemäße Verfahren zur Drehzahlregelung auf einer Erfassung der Drehzahl des Gleichstrommotors durch Ermitteln der Grundwelle des auf der elektromotorischen Kraft basierenden analogen Generatorsignals mittel Fast-Fourier- Transformation dieses Signals, wobei die Drehzahl durch Dividieren der Frequenz der Grundwelle durch einen der Pol- und Nutzahl des Gleichstrommotors entsprechenden Faktor gewonnen wird. Diese Art der Drehzahlermittlung erlaubt eine Drehzahlregelung durch Vergleich mit einem Sollwert, die temperaturunabhängig und unabhängig von der Alterung des Gleichstrommotors ist.

Um das erfindungsgemäße Verfahren zu realisieren, muß lediglich auf vorhandene Komponenten der Anlage zurückgegriffen werden, in welche der Gleichstrommotor integriert ist, und die heutzutage mehr oder weniger komplexe Rechnermittel umfaßt, um die Anlage zu steuern. Zusätzliche Sensoren zur Drehzahlermittlung bzw. zur Drehzahlregelung sind damit nicht notwendig, weshalb des erfindungsgemäße Verfahren extrem kostengünstig ist. Außerdem ist die Genauigkeit der Drehzahlermittlung bzw. Drehzahlregelung ausschließlich von der Rechenleistung des Prozessors des jeweiligen Rechnermittels abhängig.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nunmehr beispielhaft näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 der zeitliche Verlauf der Generatorspannung eines Bürsten-Gleichstrommotors, und

Fig. 2 eine Darstellung der Fourier-Transformierten der Kurve von Fig. 1, wobei auf der X- Achse die Frequenz und auf der Y-Achse die Intensität aufgetragen ist.

Die Erfindung bezieht sich auf die Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors, der beispielsweise als Bürsten-Gleichstrommotor ausgelegt sein kann und sich durch eine vorbestimmte Pol- und Nutzahl auszeichnet.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der laufende Gleichstrommotor zyklisch abgeschaltet. Die Dauer der Abschaltung wird so kurz gewählt, daß die Drehzahl sich nicht merklich ändert. In dieser Pausendauer wird das vom Motor zurückkommende Signal der elektromotorischen Kraft einer Fast-Fourier-Transformation unterzogen. Bevorzugt erfolgt die Auswertung über einen A/D- bzw. Analog/Digital-Wandler. Die Abtastrate muß doppelt so hoch sein wie die maximal zu erfassende Frequenz, um dem Abtasttheorem zu entsprechen.

Wie in Fig. 1 gezeigt, ist das der elektromotorischen Kraft entsprechende, mit der Bezugsziffer 1 bezeichnete Signal, das vorliegend auch als Generatorsignal bezeichnet ist, prinzipiell eine pulsierende Gleichspannung bzw. ein pulsierender Gleichstrom. Die den Gleichstromanteil überlagernden Schwingungen stammen von den Umkomodierungsvorgängen des Gleichstrommotors im generatorischen bzw. angetriebenen Betrieb. Diese Impulse treten stets als ganzzahliges Vielfaches der Motordrehzahl auf. Der entsprechende Multiplikator ergibt sich aus der Pol- und Nutzahl des Gleichstrommotors, die bauartbedingt konstant sind. Mit anderen Worten besteht eine direkte Proportionalität zwischen der Drehzahl des Gleichstrommotors und der Frequenz der Grundwelle im vorliegenden analogen Generatorsignal.

Das mit der Bezugsziffer 2 bezeichnete Signal betrifft das Signal des gleichen Motors bei geringerer Drehzahl. Aufgrund der geringeren Drehzahl ist der Gleichspannungsanteil sowie auch die Frequenz der überlagerten Schwingung geringer.

Das im A/D-Wandler digitalisierte Signal wird in einem Mikroprozessor einer Fast- Fourier-Transformation unterzogen. Als Ergebnis dieser mathematischen Umformung wird das Frequenzspektrum des Signals erhalten, wie in Fig. 2 gezeigt. Die darin vorhandene Grundwelle kann über eine einfache Division durch vorstehend genannten Multiplikator in die aktuelle bzw. Ist-Drehzahl des Gleichstrommotors überführt werden. Der Gleichstromanteil des analogen Generatorsignals ist ein Maß für die elektromotorische Kraft und wird für das erfindungsgemäße Verfahren, wie nachfolgend ausgeführt, genutzt.

Mit der Grundwelle des analogen Generatorsignals als Ist-Größe kann ein Regelkreis zur Konstanthaltung der Drehzahl des Gleichstrommotors aufgebaut werden.

Mit der erfindungsgemäß gewonnenen Information lassen sich auch andere Stellgrößen in dem Gesamtsystem bzw. der Anlage führen, in welche der Gleichstrommotor integriert ist, wie etwa ein Fahrzeugzusatzheizgerät. Im zuletzt genannten Fall kann beispielsweise die Brennstoffmenge nachgefüllt werden, um die Verbrennungswerte konstant zu halten.

Zur Verbesserung der Meßgenauigkeit bzw. Erfassungsgenauigkeit und zur Erhöhung des Störgeräuschabstands kann ein hardwareseitiges bzw. softwareseitiges Herausfiltern des Gleichspannungsanteils des analogen Generatorsignals vorgesehen sein.

Alternativ kann der ermittelte Gleichspannungsanteil im analogen Generatorsignal für die nachfolgende Auswertung verwendet werden. Der Gleichspannungsanteil, der auch als Ergebnis der Fast-Fourier-Transformation vorliegt, wird z. B. über einen D/A-Port des zur Auswertung verwendeten Prozessors ausgegeben und über einen einfachen Analogrechner vom analogen Gesamtsignal subtrahiert. Das übriggebliebene Signal wird noch soweit verstärkt, daß die volle Auflösung des A/D-Wandlers genutzt werden kann.

Die erfindungsgemäß eingesetzte Fast-Fourier-Transformation benötigt eine relativ große Rechenleistung. Um die Anforderungen an die benötigte Rechnerkapazität der Anlage, in welcher der Gleichstrommotor integriert ist, nicht über Gebühr zu erhöhen, ist vorteilhafterweise ein zyklischer Abgleich der ermittelten Drehzahl über die Fast-Fourier- Transformation mit der Drehzahl vorgesehen, die über die elektromotorische Kraft in herkömmlicher Weise ermittelt wird. Damit ist die rechenintensive Fast-Fourier- Transformation nur in einem relativ groben Zeitrastermuster mit nahezu gleichbleibendem Vorteil wie bei einer durchgehenden Fast-Fourier-Transformation erforderlich.

Alternativ bzw. ergänzend hierzu erfolgt zur Reduktion der Rechnerbelastung eine mathematische Nachbehandlung der Fast-Fourier-Transformationsergebnisse, indem diese nur an vorbestimmten Stützstellen ausgeführt wird. Diese Stützstellen müssen nicht unbedingt mit der exakten Grundfrequenz übereinstimmen; vielmehr reicht es aus, daß sie in unmittelbarer Nähe derselben angeordnet sind. Um das exakte Maximum bzw. Minimum zu ermitteln stehen drei an sich bekannte Verfahren zur Verfügung. Zum einen kann die Abtastzeit über mehrere Auswertungen hinweg leicht variiert werden. Zum zweiten kann die Abtastdauer bei gleicher Abtastrate variiert werden, und zum dritten ist eine mathematische Interpolation von zwei benachbarten Maxima bzw. Minima im Frequenzspektrum möglich.

Claims (7)

1. Verfahren zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors, insbesondere eines Bürsten-Gleichstrommotors, wie etwa eines Brennluftgebläse-Motors für ein Fahrzeugzusatzheizgerät, unter Erfassung und Auswertung eines von der elektromotorischen Kraft (EMK) des laufenden Gleichstrommotors hervorgerufenen Signals, und unter Nachregelung der Ist-Drehzahl durch Vergleich mit einer Soll-Drehzahl, gekennzeichnet durch die Schritte:

• a) Zyklisches Abschalten der Betriebsspannung des laufenden Motors mit einer für die aktuelle Motordrehzahl zumindest im wesentlichen unschädlichen Pausendauer und Abgreifen eines der EMK entsprechenden analogen Generatorsignals in den Abschaltpausen,
• b) Ermitteln der Grundwelle des analogen Generatorsignals mittels Fast- Fourier-Transformation dieses Signals, und
• c) Gewinnen der Drehzahl durch Dividieren der Frequenz der Grundwelle des analogen Generatorsignals durch einen der Pol- und Nutzahl des Gleichstrommotors entsprechenden Faktor.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundwellenermittlung im Schnitt b) der Schritt vorgeschaltet ist,

• d) das von der elektromotorischen Kraft des laufenden Gleichstrommotors in den Abschaltpausen hervorgerufene analoge Generatorsignal in ein digitales Signal zu wandeln, das daraufhin der Fast-Fourier-Transformation unterworfen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstromanteil vom analogen Generatorsignal vor der Fast-Fourier- Transformation abgetrennt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtrennung des Gleichstromanteils durch hardwareseitiges bzw. softwareseitiges Filtern erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstromanteil in einer Analogrechnerstufe vom pulsierenden Signalanteil des analogen Generatorsignals subtrahiert und das resultierende Signal zur Nutzung der Auflösung eines Wandlers zur A/D-Wandlung dieses Signals verstärkt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fast-Fourier-Transformation lediglich an vorbestimmten Stützpunkten des analogen Generatorsignals durchgeführt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fast-Fourier-Transformation in einem Zeitraster durchgeführt wird, das mit der vorhandenen Rechnerkapazität einer Anlage verträglich ist, in welche der Gleichstrommotor mit seiner Drehzahlauswertungseinrichtung integriert ist.