DE4229045A1 - Commutator motor speed, direction and angle sensor for vehicle sliding roof or electric window - extends segment of commutator to L=shaped track which runs along circumference of commutator, and has sliding contact for sensing voltage of extended track - Google Patents
Commutator motor speed, direction and angle sensor for vehicle sliding roof or electric window - extends segment of commutator to L=shaped track which runs along circumference of commutator, and has sliding contact for sensing voltage of extended trackInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen bürstenbehafteten Kommutator motor mit einer Einrichtung zur Erfassung seiner Drehzahl, Drehrichtung und/oder Drehwinkelstellung gemäß dem Oberbe griff des Anspruchs 1. The invention relates to a brushed commutator motor with a device for recording its speed, Direction of rotation and / or angle of rotation position according to the Oberbe handle of claim 1.
Bei rotatorisch oder translatorisch bewegten Aggregatteilen, wie elektrisch verstellbaren Fensterscheiben oder Schiebedä chern in Kraftfahrzeugen, wird vielfach ein Einklemmschutz gefordert. Zur Realisierung eines sicheren Einklemmschutzes ist insbesondere eine möglichst genaue Erfassung der Dreh zahl, Drehrichtung und/oder Drehwinkelstellung des jewei ligen Antriebsmotors von Interesse, da sich durch eine Auswertung dieser Meßgrößen eine Einklemmgefahr ermitteln und gegebenenfalls verhindern läßt.With rotating or translatory moving parts of the unit, such as electrically adjustable window panes or sliding windows chern in motor vehicles, is often a pinch protection required. To implement a safe pinch protection is particularly accurate recording of the rotation number, direction of rotation and / or angle of rotation of the respective lige drive motor of interest, as by a Evaluation of these measured variables determine a risk of trapping and can be prevented if necessary.
Es ist bekannt, die Drehzahl und die Drehrichtung eines Drehantriebes mittels zweier um 90° elektrisch versetzt angeordneter Hallsensoren zu ermitteln. Dazu wird zentrisch auf der Drehantriebsachse ein mit dieser drehfest verbunde ner Ringmagnet angeordnet. Bei Rotation des Ringmagneten werden die beiden am Umfang des Ringmagneten angeordneten Hallsensoren jeweils von einem veränderlichen Magnetfeld durchsetzt. Die dabei an den beiden Sensoren auftretenden Magnetfeldänderungen der Hallspannung werden beispielsweise mittels digitaler Hallsensoren in zwei um 90° elektrisch zueinander versetzte binäre Impulsfolgen umgewandelt. Durch Zählen der Impulsanzahl pro Zeiteinheit kann die Drehzahl und durch Vergleich der beiden Impulsfolgen die Drehrichtung des Drehantriebes bestimmt werden.It is known the speed and direction of rotation of a Rotary drive electrically offset by 90 ° using two arranged Hall sensors to determine. This becomes centric on the rotary drive axis connected to it in a rotationally fixed manner ner ring magnet arranged. When the ring magnet rotates the two are arranged on the circumference of the ring magnet Hall sensors each from a variable magnetic field enforced. The occurring on the two sensors Magnetic field changes in the Hall voltage are, for example using digital Hall sensors in two 90 ° electrical mutually offset binary pulse trains converted. By The speed can count the number of pulses per unit of time and by comparing the two pulse trains the direction of rotation of the rotary drive can be determined.
Ferner ist aus der DE-OS 40 38 284 AI ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung der Position und der Bewegungsrich tung translatorisch oder rotatorisch bewegter Teile eines Aggregates bekannt, wobei ein Drehantrieb insbesondere mit einer drehfest verbundenen, codierten Scheibe versehen ist, die eine vorbestimmte Anzahl in Gruppen angeordneter Marken aufweist, die vorzugsweise magnetisch ausgebildet sind. Die magnetisierten Marken werden mittels eines Hallsensors abgegriffen, wobei Zählimpulse in dreh richtungscodierte Impulsfolgen oder Zählimpulse mit dreh richtungscodierter Form abgeleitet und einem Rechner zuge führt werden. In diesem Rechner werden zur Ermittlung der Position des Aggregatteils die drehrichtungscodiert ange ordneten bzw. geformten Zählimpulse je nach Richtungscodie rung addiert oder subtrahiert, während die Bewegungsrichtung durch Vergleich der Frequenzen der Impulsfolgen mit vor gegebenen Frequenzmustern ermittelt wird.Furthermore, from DE-OS 40 38 284 AI a method and Device for detecting the position and the direction of movement tion of translationally or rotationally moving parts of a Unit known, a rotary drive in particular with a rotatably connected, coded disc is provided, the a predetermined number in groups arranged marks, which is preferably magnetic are trained. The magnetized marks are made using tapped from a Hall sensor, with counting pulses in rotation Direction-coded pulse sequences or counting pulses with rotary direction-coded form derived and supplied to a computer leads. In this calculator are used to determine the Position of the unit part indicated the direction of rotation coded ordered or shaped counts depending on the direction code tion is added or subtracted while moving by comparing the frequencies of the pulse trains with before given frequency patterns is determined.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen bürsten behafteten Kommutatormotor der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, der eine genaue und zuverlässige Erfassung der Drehzahl, Drehrichtung und/oder Drehwinkelstel lung bei verringertem Aufwand ermöglicht.The invention is based on the object of brushing afflicted commutator motor of the type mentioned at the beginning To provide an accurate and reliable Detection of the speed, direction of rotation and / or angle of rotation enables with reduced effort.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.This task is characterized by the characteristics of the Claim 1 solved.
Die erfindungsgemäße Lösung ergibt einen bürstenbehafteten Kommutatormotor mit einer Einrichtung zur Erfassung seiner Drehzahl, Drehrichtung und/oder Drehwinkelstellung, der eine sehr genaue und zuverlässige Erfassung der jeweiligen Meßgröße bei verringertem Aufwand gewährleistet.The solution according to the invention results in a brush Commutator motor with a device for detecting its Speed, direction of rotation and / or angle of rotation position, the a very precise and reliable recording of the respective Measured variable guaranteed with reduced effort.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die in den in Reihe geschalteten Teilspulen der Ankerwicklung eines Kom mutatormotors induzierten Spannungen eine eindeutige Informa tion sowohl über die Drehzahl und Drehrichtung als auch über die Drehwinkelstellung des Kommutatormotors liefern, sofern bestimmte Teilspulen intermittierend abge griffen werden und die jeweilige Abgreifdauer so bemessen ist, daß ein inkrementierender oder dekrementierender Span nungsverlauf erfaßt wird.The invention is based on the knowledge that the in the Series connected sub-coils of the armature winding of a comm mutator motor induced a clear informa tion both over the speed and direction of rotation as well as over the angular position of the commutator motor deliver if certain sub-coils intermittently abge are gripped and the respective tapping duration measured is that an incrementing or decrementing span is recorded.
Der erfindungsgemäße Kommutatormotor weist daher mindestens eine im wesentlichen parallel zum Kommutator verlaufende, elektrisch leitfähige und mit mindestens einer Lamelle des Kommutators verbundene Abtastspur auf, deren Länge größer als die Kommutatorteilung ist, wobei jeder Abtastspur ein mit der Erfassungseinrichtung verbundenes und den Momentan wert der Spannung der Abtastspur erfassendes Abtastelement zugeordnet ist.The commutator motor according to the invention therefore has at least an essentially parallel to the commutator, electrically conductive and with at least one lamella of the Commutator connected scanning track, the length of which is greater than the commutator pitch, with each scan track one connected to the detection device and the moment value of the voltage of the scanning track detecting scanning element assigned.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß die Abtastspur als Teil eines Kreis ringes ausgebildet ist, der vorzugsweise in Umfangsrichtung offen endet. Die Länge der offen endenden Abtastspur ist dabei an die jeweiligen Anforderungen anzupassen.A preferred embodiment of the solution according to the invention is that the scan track is part of a circle ring is formed, which is preferably in the circumferential direction ends openly. The length of the open trace is adapt to the respective requirements.
Beispielsweise ist im Hinblick auf eine möglichst exakte Drehrichtungs- oder Drehzahlerfassung eine Spurlänge vor teilhaft, die den Läufer des Kommutatormotors mit etwa 90° bis 110° umschlingt. Bei einem derartigen Umschlingungsmaß ergeben sich in den beiden möglichen Laufrichtungen des Läufers deutlich voneinander abweichende Spannungssignale, so daß ein ausreichender Störabstand für eine einwandfreie Signalauswertung gewährleistet ist. For example, with a view to being as exact as possible Direction of rotation or speed detection one track length ahead partially, which the rotor of the commutator motor with about 90 ° wraps up to 110 °. With such a degree of wrap result in the two possible directions of the Voltage signals clearly differing from each other, so that a sufficient signal-to-noise ratio for a flawless Signal evaluation is guaranteed.
Für eine möglichst exakte Positionserfassung ist dagegen die Verwendung einer Abtastspur mit maximaler Umschlingung vorteilhaft, um den Spanungsverlauf über einen größtmög lichen Umfangsbereich des Läufers erfassen zu können. Der maximale Umschlingungswinkel hängt dabei von der Abtast fläche des jeweiligen Abtastelements ab.On the other hand, for the most accurate position detection possible Using a scan track with maximum wrap advantageous to maximize the voltage profile Liche circumferential area to be able to capture. Of the maximum wrap angle depends on the scan area of the respective scanning element.
Alternativ hierzu ist allerdings auch die Verwendung mehre rer isolierter, in Umfangsrichtung hintereinander angeord neter Abtastspuren denkbar, die z. B. jeweils nur zwei Kom mutatorlamellen überdecken, so daß bei einem zwölf Lamellen aufweisenden Kommutator sechs Abtastspuren vorgesehen werden könnten.As an alternative, however, the use is also more rer insulated, arranged one behind the other in the circumferential direction Neter traces possible, the z. B. only two comm Cover mutator lamellae so that one lamella having commutator six scanning tracks can be provided could.
Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß die Abtastspur geschlossen ausge bildet ist, indem sie zusätzlich mit einer anderen Lamelle des Kommutators verbunden ist. Diese Ausgestaltung ermög licht eine Differenzspannungsmessung, die zu einem steileren Spanungsverlauf und damit zu deutlicher voneinander abwei chenden Spannungssignalen führt, wodurch sich der Störa bstand bei der Signalauswertung verbessern läßt.Another advantageous embodiment of the invention Solution is that the scan track is closed is formed by adding another slat of the commutator is connected. This configuration enables light a differential voltage measurement that leads to a steeper The course of the voltage and thus deviate clearly from one another appropriate voltage signals, which leads to interference can improve the signal evaluation.
Bei dieser Ausgestaltung ist es ferner vorteilhaft, wenn der ohmsche Widerstand der Abtastspur größer als der ohmsche Widerstand einer Teilspule der Ankerwicklung ist, so daß Beeinträchtigungen der Motoreigenschaften vermieden werden. Vorzugsweise ist daher das Verhältnis der Widerstände RS/RA < 100, wobei RS für den ohmschen Widerstand der Abtast spur und RA für den ohmschen Widerstand der Ankerwicklung steht. In this embodiment, it is also advantageous if the ohmic resistance of the scanning track is greater than the ohmic resistance of a partial coil of the armature winding, so that impairments to the motor properties are avoided. Preferably, therefore, the ratio of the resistances R S / R A <100, with R S for the ohmic resistance of the sensing track and R A for the ohmic resistance of the armature winding.
Ein einfacher und bewährter Abgriff der jeweiligen Abtast spur kann dadurch erfolgen, daß das Abtastelement aus einem auf die Abtastspur ausgerichteten Schleifkontakt besteht.A simple and proven tap of the respective scan track can be done in that the scanning element from a there is sliding contact aligned with the scanning track.
Alternativ hierzu kann das Abtastelement auch aus einem von der Abtastspur galvanisch getrennt angeordneten Spannungs erfassungselement bestehen. Hierdurch wird insbesondere ein mechanischer Verschleiß der Abtastspur sowie des Abtast elements verhindert.Alternatively, the scanning element can also consist of one of the tracing track of galvanically separated voltage detection element exist. This will in particular be a mechanical wear of the scanning track and the scanning elements prevented.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist dadurch gekenn zeichnet, daß mehrere parallel zueinander verlaufende Abtast spuren unterschiedlicher Länge vorgesehen sind. Mittels dieser Ausgestaltung läßt sich die Genauigkeit der Dreh zahl-, Drehrichtungs- und/oder Positionserfassung erhöhen, indem die erfaßten Spannungswerte miteinander verglichen und vorzugsweise gemittelt werden.A further advantageous embodiment is characterized records that several samples running parallel to each other tracks of different lengths are provided. Means this configuration allows the accuracy of the rotation increase number, direction of rotation and / or position detection, by comparing the detected voltage values and preferably be averaged.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung besteht die Erfassungseinrichtung aus einer Einrich tung zur Signalaufbereitung, einer Auswertelogik und einer Einrichtung zur Ausgabe eines Signals für die Drehrichtung und/oder Drehzahl und/oder Drehwinkelstellung. Eine derart ausgestaltete Erfassungseinrichtung ermöglicht eine Abschal tung und bei Bedarf gegebenenfalls auch eine Drehrichtungs umkehr des Kommutatormotors, sofern die erfaßten Spannungs werte bzw. die daraus abgeleitete Drehzahl, Drehrichtung und/oder Drehwinkelstellung einen Einklemmvorgang oder die Position signalisieren. According to a preferred embodiment of the invention Solution, the detection device consists of a device device for signal processing, an evaluation logic and a Device for outputting a signal for the direction of rotation and / or speed and / or angle of rotation position. Such a designed detection device enables a scarf tion and if necessary also a direction of rotation reversal of the commutator motor provided the detected voltage values or the derived speed, direction of rotation and / or angular position a pinching process or the Signal position.
Dies wäre beispielsweise bei einer elektrisch verstellbaren Fensterscheibe der Fall, wenn sich diese gemäß der Dreh winkelstellung des Kommutatormotors noch nicht in ihrer obersten Verschlußstellung befindet, obwohl sich die Fens terscheibe bzw. der Läufer des Kommutatormotors nicht mehr oder kaum noch trotz relativ hoher Stromzufuhr bewegt.This would be, for example, an electrically adjustable one Window pane the case if this is according to the rotation angular position of the commutator motor not yet in your uppermost closed position, although the fens disc or the rotor of the commutator motor no longer or hardly moved despite the relatively high power supply.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung be steht darin, daß die Erfassungseinrichtung zur Ausblendung von schwingungsbedingten Störsignalen mindestens einen elektronischen Filter aufweist. Hierdurch können Signal störungen, die beispielsweise infolge von mechanischen Schwingungen des Schleifkontaktes und/oder des Läufers hervorgerufen werden, gegebenenfalls unterdrückt werden.Another advantageous embodiment of the invention be is that the detection device for fading of vibration-related interference signals at least one has electronic filter. This can signal malfunctions, for example as a result of mechanical Vibrations of the sliding contact and / or the rotor are caused, if necessary suppressed.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Aus führungsbeispiele näher erläutert.Further advantageous embodiments of the invention are in marked the subclaims. The invention will below based on the From shown in the drawing examples of management explained in more detail.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 eine schematisch Darstellung eines bürsten behafteten Kommutatormotors für translatorisch und/oder rotatorisch bewegte Aggregatteile; Figure 1 is a schematic representation of a brushed commutator for translatory and / or rotationally moving unit parts.
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines abgewickel ten Kommutators mit einer in Umfangsrichtung parallel verlaufenden, offen endenden Abtast spur; Fig. 2 is a schematic representation of a developed commutator with a parallel, circumferential, open-ended scanning track;
Fig. 3 eine zeitliche Darstellung der an der Abtast spur gemäß Fig. 2 abgegriffenen Spannungsver läufe bei Linkslauf und Rechtslauf des Kommuta tormotors in motorischem Betrieb; Fig. 3 is a time representation of the tapped on the scanning track of FIG 2 voltage courses with left and right rotation of the commutator motor in motor operation.
Fig. 4 eine zeitliche Darstellung der an der Abtast spur gemäß Fig. 2 abgegriffenen Spannungsver läufe bei Linkslauf und Rechtslauf des Kommuta tormotors in generatorischem Betrieb; FIG. 4 shows a time representation of the voltage curves tapped at the scanning track according to FIG. 2 with counterclockwise rotation and clockwise rotation of the commutator motor in generator operation;
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines abgewickel ten Kommutators mit einer geschlossenen Abtast spur; Fig. 5 is a schematic representation of a developed commutator with a closed scanning track;
Fig. 6 eine zeitliche Darstellung der an der Abtast spur gemäß Fig. 5 abgegriffenen Spannungsver läufe bei Linkslauf und Rechtslauf des Kommuta tormotors; Fig. 6 is a time representation of the tapped on the tracing according to FIG 5 voltage curves with left and right rotation of the commutator motor;
Fig. 7a-7c schematische Darstellungen unterschiedlich konfigurierter Abtastspuren; Fig. 7a-7c are schematic illustrations of differently configured strobe tracks;
Fig. 8 eine schematische Darstellung eines abgewickel ten Kommutators mit einer geschlossenen Abtast spur und einem von der Abtastspur galvanisch getrennt angeordneten Spannungserfassungse lement; Fig. 8 is a schematic representation of a developed commutator with a closed scanning track and a voltage detection element arranged galvanically separated from the scanning track;
Fig. 9 eine zeitliche Darstellung eines an der Abtast spur gemäß Fig. 8 erfaßten Signalverlaufs und Fig. 9 is a time representation of a detected on the scanning track of FIG. 8 and waveform
Fig. 10 ein Blockschaltbild einer Speise- und Steuer schaltung für die Erfassung der Drehzahl, Drehrichtung und Drehwinkelstellung eines Kommutatormotors. Fig. 10 is a block diagram of a feed and control circuit for detecting the speed, direction and angle of rotation of a commutator motor.
Fig. 1 zeigt schematisch einen als Gleichstrommotor ausge bildeten Elektromotor 1 mit einem Läufer 2 und einem Ständer 3. Die Ankerwicklung 5 des Läufers 2 ist in an sich bekann ter Weise mit den sektorförmigen, voneinander isolierten Lamellen eines Kommutators 6 verbunden, wobei jeweils ein Ende zweier Teilspulen der Ankerwicklung 5 an eine Lamelle des Kommutators 6 angeschlossen sind. Der Ankerstrom wird dem Läufer 2 am Umfang des Kommutators 6 über Gleitkontakte 7, 8 zugeführt, die vorzugsweise aus Graphit bestehen und nachfolgend als Bürsten bezeichnet werden. Fig. 1 shows schematically a trained as a DC motor electric motor 1 with a rotor 2 and a stator 3rd The armature winding 5 of the rotor 2 is connected in a manner known per se to the sector-shaped, mutually insulated lamellae of a commutator 6 , one end of each two coils of the armature winding 5 being connected to a lamella of the commutator 6 . The armature current is supplied to the rotor 2 on the circumference of the commutator 6 via sliding contacts 7 , 8 , which preferably consist of graphite and are referred to below as brushes.
Wie in den nachfolgenden Figuren noch deutlicher gezeigt ist, ist mindestens eine Lamelle des Kommutators 6 mit mindestens einer im wesentlichen parallel zum Kommutator verlaufenden, elektrisch leitfähigen Abtastspur 10 verbun den, wobei jeder Abtastspur ein mit einer Erfassungseinric htung verbundenes Abtastelement 101 zugeordnet ist.As is shown more clearly in the following figures, at least one lamella of the commutator 6 is connected to at least one electrically conductive scanning track 10 which runs essentially parallel to the commutator, each scanning track being associated with a scanning element 101 connected to a detection device.
Der Läufer 2 des Elektromotors ist ferner mit einer Motor welle 4 verbunden, die in diesem Ausführungsbeispiel als Teil eines Schneckengetriebes ausgebildet ist. Die Motor welle 4 treibt die translatorisch oder rotatorisch bewegten Teile eines Aggregates 20 an, das beispielsweise aus dem Getriebe einer Fensterhebereinrichtung in Kraftfahrzeugen bestehen kann. Dieses Getriebe setzt die rotatorische Bewe gung der Motorwelle 4 in eine translatorische Bewegung zum Anheben und Absenken einer Fensterscheibe um.The rotor 2 of the electric motor is also connected to a motor shaft 4 , which is formed in this embodiment as part of a worm gear. The motor shaft 4 drives the translationally or rotationally moving parts of an assembly 20 , which can consist, for example, of the transmission of a window lift device in motor vehicles. This transmission converts the rotary movement of the motor shaft 4 into a translatory movement for raising and lowering a window pane.
Der Elektromotor 1 ist mit einem Steckanschluß 15 verbunden, der eine Verbindung zu einer Steuereinrichtung 17 herstellt, die gleichzeitig eine Schaltung zur Erfassung der Drehzahl, Drehrichtung und/oder Drehwinkelstellung des Elektromotors 1 bzw. des Aggregatteils 20 beinhaltet. Die zur Steuerung des Motor- bzw. Ankerstroms dienende Steuereinrichtung enthält darüberhinaus eine an der Spannungsquelle 14 angeschlossene Speiseschaltung.The electric motor 1 is connected to a plug connection 15 , which establishes a connection to a control device 17 , which at the same time contains a circuit for detecting the speed, direction of rotation and / or angle of rotation position of the electric motor 1 or of the unit part 20 . The control device used to control the motor or armature current also contains a supply circuit connected to the voltage source 14 .
Die Steuereinrichtung 17 ist ferner mit einer Schalteinrich tung 18 verbunden, die einen oder mehrere Schalter aufweist, mit denen die Bewegung der angetriebenen Aggregatteile in der einen oder anderen Richtung eingestellt bzw. ausgelöst werden kann. Hierzu können die Schalter aus Kipp- oder Tastschaltern bestehen, die bei einmaliger Berührung die Bewegung der Aggregatteile bis zum Endanschlag in der einen oder anderen Richtung bzw. nur dann eine Bewegung bewirken, solange der betreffende Schalter betätigt wird.The control device 17 is also connected to a switching device 18 , which has one or more switches with which the movement of the driven unit parts can be set or triggered in one direction or the other. For this purpose, the switches can consist of toggle or pushbutton switches which, when touched once, cause the movement of the assembly parts up to the end stop in one direction or the other or only cause movement as long as the switch in question is actuated.
Die Erfassung der Drehzahl und/oder Drehrichtung eines Kommutatormotors bzw. eines damit mechanisch verbundenen Aggregatteils soll nachstehend anhand der Fig. 2 und 3 beschrieben werden.The detection of the speed and / or direction of rotation of a commutator motor or a unit part mechanically connected to it will be described below with reference to FIGS. 2 and 3.
In Fig. 2 ist schematisch ein abgewickelter Kommutator 6 dargestellt, der beispielsweise zwölf voneinander isolierte Lamellen aufweist. Die Lamellen sind in der zuvor beschrie benen Weise mit den Teilspulen der Ankerwicklung 5 verbun den. Die Stromzufuhr erfolgt über zwei gegenüberliegende, federbelastete Bürsten 7, 8, die in einem den Kommutator 6 ringförmig umgebenden Bürstenhalter 70 angeordnet sind.In Fig. 2, a developed commutator 6 is shown schematically, which has, for example, twelve mutually insulated lamellae. The slats are in the previously described manner with the coil sections of the armature winding 5 verbun. The current is supplied via two opposite, spring-loaded brushes 7 , 8 , which are arranged in a brush holder 70 which surrounds the commutator 6 in a ring.
Eine der Kommutatorlamellen 66 ist mit einer parallel zum Kommutator 6 verlaufenden, elektrisch leitfähigen Abtastspur 10 verbunden, deren Länge (L) größer als die Kommutatortei lung (t) ist, so daß mittels eines auf die Abtastspur 10 ausgerichteten Schleifkontaktes 101 die induzierten Spannun gen mindestens zweier Teilspulen der Ankerwicklung 5 inter mittierend abgegriffen werden. Die erfaßten Spannungen sind dabei auf Massepotential bezogen.One of the commutator lamellae 66 is connected to an electrically conductive scanning track 10 running parallel to the commutator 6 , the length (L) of which is greater than the commutator pitch (t), so that by means of a sliding contact 101 aligned with the scanning track 10 , the induced voltages are at least conditions two sub-coils of the armature winding 5 are tapped intermittently. The voltages recorded are related to ground potential.
Überdeckt die Länge der Abtastspur 10 in etwa den Umfang dreier Kommutatorlamellen, so ergeben sich beim motorischen Betrieb, bei dem Drehmoment und Drehrichtung des Kommutator motors gleichsinnig verlaufen, die in Fig. 3 dargestellten zeitlichen Spannungsverläufe.If the length of the scanning track 10 approximately covers the circumference of three commutator lamellae, then during motor operation in which the torque and direction of rotation of the commutator motor run in the same direction, the temporal voltage curves shown in FIG. 3 result.
Der Spannungsverlauf setzt sich jeweils aus diskreten Span nungsblöcken zusammen, wobei die Auflösung von der Anzahl der in Reihe geschalteten Teilspulen der Ankerwicklung abhängt. Es ist zu erkennen, daß sich in der oben angegebe nen Laufrichtung, die hier als Rechtslauf bezeichnet ist, je Umdrehung ein dekrementierender Spannungsverlauf ergibt, während in umgekehrter Laufrichtung jeweils ein inkrementie render Spannungsverlauf auftritt.The voltage curve is made up of discrete chips blocks together, where the resolution depends on the number of the partial coils of the armature winding connected in series depends. It can be seen that in the above indicated NEN direction, which is referred to here as clockwise rotation, each Revolution results in a decrementing voltage curve, while in the opposite direction an increment render voltage curve occurs.
Anhand der Form des jeweiligen Spannungsverlaufs läßt sich somit eindeutig die Drehrichtung des Kommutatormotors bzw. eines damit angetriebenen Aggregatteils ermitteln, was vorzugsweise in der nachstehend noch näher beschriebenen Er fassungseinrichtung erfolgt.Based on the shape of the respective voltage curve thus clearly the direction of rotation of the commutator motor or of a unit part driven with it determine what preferably in the Er described below Detection facility takes place.
Die Drehzahl des Kommutatormotors ergibt sich demgegenüber aus dem periodischen Spannungsverlauf, indem die jeweilige Periodendauer tP1 bzw. tP2 beispielsweise zwischen den inter mittierend auftretenden Spannungsmaxima erfaßt wird. Der Kehrwert der jeweiligen Periodendauer entspricht dabei der Drehzahl des Kommutatormotors.In contrast, the speed of the commutator motor results from the periodic voltage curve, in that the respective period t P1 or t P2 is detected, for example, between the intermittently occurring voltage maxima. The reciprocal of the respective period corresponds to the speed of the commutator motor.
Wird der Kommutatormotor gemäß Fig. 2 dagegen generatorisch betrieben, was beispielsweise beim Absenken einer treibenden Last und insbesondere auch beim Abschalten des Motors durch trägheitsbedingtes Nachlaufen auftritt, so ergibt sich bei der entsprechenden Laufrichtung des Kommutatormotors ein von Fig. 3 abweichender Spannungsverlauf.If, on the other hand, the commutator motor according to FIG. 2 is operated as a generator, which occurs, for example, when lowering a driving load and in particular also when the motor is switched off due to inertia-following, then a voltage curve deviating from FIG. 3 results in the corresponding running direction of the commutator motor.
Tritt der Generatorbetrieb beispielsweise bei Linkslauf des Kommutatormotors auf, so ergibt sich, wie in Fig. 4 darge stellt, eine Spannungsumkehr mit inkrementierendem negativem Spannungsverlauf. Die mit dem Abtastelement verbundene Erfassungsvorrichtung weist daher vorzugsweise Schaltungs elemente auf, die den Betrag der jeweils erfaßten Spannung ermittelt, so daß ein plötzlicher Wechsel der Betriebsart des Kommutatormotors durch die Drehzahl- und Drehrichtungser kennung ausgewertet wird.If the generator operation occurs, for example, when the commutator motor runs counterclockwise, then, as shown in FIG. 4, there is a voltage reversal with an incremental negative voltage profile. The detection device connected to the scanning element therefore preferably has circuit elements which determine the amount of the voltage detected in each case, so that a sudden change in the operating mode of the commutator motor is evaluated by the speed and direction of rotation detection.
Fig. 5 zeigt schematisch ein anderes Ausführungsbeispiel, bei dem neben den abgewickelt dargestellten Kommutator lamellen eine mit zwei Kommutatorlamellen 61, 67 verbundene Abtastspur 10′ angeordnet ist. Die Abtastspur 10′, die vorzugsweise mit zwei gegenüberliegenden Kommutatorlamellen 61, 67 verbunden ist, weist einen maximalen Umschlingungs winkel auf, der annähernd 360° beträgt, wobei die verblei bende Isolierung größer als die Abtastfläche des Schleif kontaktes 101 bemessen ist. Fig. 5 shows schematically another embodiment in which, in addition to the developed commutator lamellae, a scanning track 10 'connected to two commutator lamellae 61 , 67 is arranged. The scanning track 10 ', which is preferably connected to two opposing commutator bars 61 , 67 , has a maximum wrap angle which is approximately 360 °, the remaining insulation being larger than the scanning area of the sliding contact 101 .
Damit keine wesentliche Beeinflussung der Motoreigenschaften auftritt, ist die geschlossene Abtastspur 10′ gegenüber den Teilspulen der Ankerwicklung 5 hochohmig ausgebildet. Vor zugsweise stehen die ohmschen Widerstände in einem Verhält nis von RS/RA < 100, wobei RS für den Widerstand der Abtast spur 10′ und RA für den Widerstand einer Teilspule 51, 52 der Ankerwicklung 5 steht.So that there is no significant influence on the motor properties, the closed scanning track 10 'with respect to the partial coils of the armature winding 5 is of high impedance. Before ohmic resistances are in a ratio of R S / R A <100, where R S for the resistance of the sensing track 10 'and R A for the resistance of a coil section 51 , 52 of the armature winding 5 .
Wie Fig. 6 verdeutlicht, führt die Verbindung der Abtastspur mit zwei Kommutatorlamellen zur Erfassung der Differenz der in den Teilspulen der Ankerwicklung induzierten Spannungen.As illustrated in FIG. 6, the connection of the scanning track with two commutator bars leads to the detection of the difference between the voltages induced in the partial coils of the armature winding.
Die beiden für Rechtslauf und Linkslauf dargestellten Span nungsverläufe ermöglichen sowohl eine Erkennung der Dreh zahl und Drehwinkelstellung als auch der Drehrichtung des Kommutatormotors. Die Drehzahl läßt sich wie im vorherigen Ausführungsbeispiel anhand der Periodendauer des sägezahnför migen Spannungsverlaufs ermitteln. Die Drehrichtung kann über die Länge der Abtastspur ausgewertet werden, indem die Momentanwerte der erfaßten Spannung mit dem für jede Dreh richtung vorgegebenen Spannungsverlauf verglichen werden. Die Ermittlung der Drehwinkelposition kann dagegen in der jeweiligen Drehrichtung anhand der Amplitude und dem Vorzei chen ermittelt werden. The two span shown for clockwise and counterclockwise rotation The course of the voltage enables both the detection of the rotation number and angular position as well as the direction of rotation of the Commutator motor. The speed can be as in the previous one Embodiment based on the period of the sawtooth Determine moderate voltage curve. The direction of rotation can can be evaluated over the length of the scanning track by the Instantaneous values of the detected voltage with that for each rotation direction specified voltage curve are compared. The determination of the angular position, however, can in the respective direction of rotation based on the amplitude and the advance Chen be determined.
Zur Erfassung der Drehwinkelstellung des Kommutatormotors ist es ferner zweckmäßig, eine offen endende Abtastspur mit maximaler Umschlingung in Abhängigkeit von der Abtastfläche des Schleifkontaktes zu verwenden. Alternativ hierzu ist allerdings auch die Verwendung mehrerer offener, in Umfangs richtung hintereinander angeordneter Abtastspuren zweck mäßig, die beispielsweise jeweils zwei Lamellen des Kommu tators überdecken. Die Drehwinkelstellung läßt sich sodann anhand der Spannungsamplitude ermitteln, wobei die Position der feststehenden Bürsten als Bezugspunkt dient.To detect the angular position of the commutator motor it is also expedient to have an open-ended scanning track maximum wrap depending on the scanning area the sliding contact. Alternatively, is however, the use of several open, in scope direction of successively arranged scanning tracks purpose moderate, for example two slats of the commu cover tators. The angle of rotation position can then be based on the voltage amplitude, the position the fixed brushes serve as a reference point.
Die Genauigkeit der Erfassung der Drehwinkelstellung wird, wie oben bereits angedeutet, durch die Anzahl der in Reihe geschalteten Teilspulen der Ankerwicklung bestimmt.The accuracy of the detection of the angle of rotation position is as already indicated above, by the number of in series switched sub-coils of the armature winding determined.
In den Fig. 7a bis 7c sind verschiedene Konfigurationen der Abtastspuren schematisch dargestellt.Different configurations of the scanning tracks are shown schematically in FIGS. 7a to 7c.
Fig. 7a zeigt in abgewickelter Darstellung den Umfang eines Kommutators 6, auf dem mehrere parallel zueinander verlaufen de Abtastspuren 11, 12, 13 mit unterschiedlicher Länge ange ordnet sind, die gemeinsam mit einer Lamelle 69 elektrisch leitend verbunden sind. Jede der Abtastspuren ist ein eige nes, nicht näher dargestelltes Abtastelement zugeordnet. Fig. 7a shows a developed representation of the scope of a commutator 6 , on which a plurality of mutually parallel de scanning tracks 11 , 12 , 13 are arranged with different lengths, which are electrically conductively connected together with a lamella 69 . Each of the scanning tracks is assigned its own scanning element, not shown in detail.
Die äußere Abtastspur 13 weist einen maximalen Umschlingungs winkel auf und dient zweckmäßigerweise der Erfassung der Drehwinkelstellung. Die innere Abtastspur überdeckt dagegen lediglich vier Lamellen und eignet sich daher insbesondere für die Drehrichtungserkennung. The outer scanning track 13 has a maximum wrap angle and is expediently used to detect the angle of rotation position. The inner scan track, however, only covers four slats and is therefore particularly suitable for the detection of the direction of rotation.
Der in Fig. 7b dargestellte Kommutator 6 ist ebenfalls mit mehreren parallel zueinander verlaufenden, unterschiedlich langen Abtastspuren 11′, 12′, 13′ versehen, die jedoch jeweils mit einer anderen Lamelle 65, 67, 69 des Kommutators 6 elektrisch leitend verbunden sind. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, daß bei Störungen an einer Abtastspur, die Erfassung der induzierten Spannungen bzw. der daraus ableitbaren Meßgrößen noch durch die übrigen Abtastspuren gewährleistet ist.The commutator 6 shown in Fig. 7b is also provided with a plurality of mutually parallel, differently long scanning tracks 11 ', 12 ', 13 ', which are, however, each electrically connected to another lamella 65 , 67 , 69 of the commutator 6 . This embodiment offers the advantage that in the event of faults on a scanning track, the detection of the induced voltages or the measurement variables which can be derived therefrom is still ensured by the remaining scanning tracks.
Bei dem in Fig. 7c gezeigten Ausführungsbeispiel sind zwölf Kommutatorlamellen und drei unterschiedlich lange Abtast spuren 11′′, 12′′, 13′′ auf einem gemeinsamen zylindrischen Körper angeordnet, wobei die Abtastspuren in Umfangsrichtung hintereinander angeordnet und jeweils mit einer anderen Lamelle 62, 66, 69 verbunden sind.In the exemplary embodiment shown in FIG. 7c, twelve commutator segments and three differently long scanning tracks 11 '', 12 '', 13 '' are arranged on a common cylindrical body, the scanning tracks being arranged one behind the other in the circumferential direction and each with a different segment 62 , 66 , 69 are connected.
Den drei Abtastspuren 11′′, 12′′, 13′′, deren Spurlänge je nach Drehrichtung stufenartig zu- bzw. abnimmt, ist ein einziger federbelasteter Schleifkontakt zugeordnet. Die Abstufung der Spurlängen führt zu einer codierten drehrich tungsabhängigen Signalfolge, die neben dem inkrementierenden bzw. dekrementierenden Spannungsverlauf eine zusätzliche Drehrichtungserkennung ermöglicht.The three scanning tracks 11 '', 12 '', 13 '', the track length of which increases or decreases stepwise depending on the direction of rotation, is assigned a single spring-loaded sliding contact. The gradation of the track lengths leads to a coded direction-dependent signal sequence which, in addition to the incrementing or decrementing voltage curve, enables additional detection of the direction of rotation.
In Fig. 8 ist schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines zwölf Lamellen aufweisenden Kommutators 6 wiedergege ben. Die angedeuteten Teilspulen 51, 52 der Ankerwicklung 5 und die Kommutatorlamellen sind wiederum in abgewickelter Form dargestellt. In Fig. 8, another embodiment of a twelve-plate commutator 6 is shown schematically ben. The indicated partial coils 51 , 52 of the armature winding 5 and the commutator bars are again shown in a developed form.
Der Kommutator 6 ist mit einer Abtastspur 10′ versehen, in der zwei unterschiedlich lange, parallel zu den Lamellen ver laufenden Spulen 31, 32 angeordnet sind. Die Enden der größeren Spule 31, die den Kommutator 6 mit nahezu 360° umschlingt, sind an zwei gegenüberliegenden Lamellen 61, 67 angeschlossen, während die Enden der kleineren Spule 32, die innerhalb der größeren Spule 31 angeordnet ist, ebenfalls an einer dieser beiden gegenüberliegenden Lamellen und an einer dazwischenliegenden Lamelle 64 angeschlossen sind.The commutator 6 is provided with a scanning track 10 'in which two coils 31 , 32 of different lengths running parallel to the slats are arranged. The ends of the larger coil 31 , which wraps around the commutator 6 at almost 360 °, are connected to two opposite slats 61 , 67 , while the ends of the smaller coil 32 , which is arranged within the larger coil 31 , are also connected to one of these two opposite ones Slats and connected to an intermediate slat 64 .
Der Abtastspur 10′ bzw. den beiden Spulen 31, 32 ist ein Abtastelement zugeordnet, das aus einem von der Abtastspur 10′ galvanisch getrennt angeordneten Signalerfassungselement 102 besteht. Als Abtastelement kann in diesem Fall beispiels weise ein Hallsensor eingesetzt werden, der die Signaländ erung in den Teilspulen der Ankerwicklung 5 bzw. die Ände rung des an den Spulen 31, 32 auftretenden Magnetfeldes erfaßt und ein entsprechendes Spannungssignal liefert.The scanning track 10 'or the two coils 31 , 32 is assigned a scanning element which consists of a signal detection element 102 which is electrically isolated from the scanning track 10 '. In this case, a Hall sensor can be used as a scanning element, for example, which detects the signal change in the partial coils of the armature winding 5 or the change in the magnetic field occurring on the coils 31 , 32 and supplies a corresponding voltage signal.
Ein möglicher Verlauf dieses Spannungssignals ist für das hier beschriebene Ausführungsbeispiel in Fig. 9 wiedergege ben. Die Verbindung der Enden der Sensorspulen mit verschie denen Lamellen führt zur einer Differenzmessung der in den Teilspulen der Ankerwicklung induzierten Spannungen. Der in Fig. 9 dargestellte Signalverlauf entspricht aufgrund der Überlagerung der beiden Sensorspulen der Summe der Magnetfel der. A possible course of this voltage signal is shown in FIG. 9 for the exemplary embodiment described here. The connection of the ends of the sensor coils with various slats leads to a differential measurement of the voltages induced in the partial coils of the armature winding. The signal curve shown in FIG. 9 corresponds to the sum of the magnetic fields due to the superposition of the two sensor coils.
Anhand eines derartig codierten Signalverlaufs lassen sich die Drehrichtung und die Drehzahl des Kommutatormotors eindeutig ermitteln. Die Auflösung der Drehwinkelstellung ist vergleichsweise hoch, auch wenn das Abtastelement über einen Drehwinkelbereich von 120° el eine konstantes Signal erfaßt.Using such a coded signal curve, the direction of rotation and the speed of the commutator motor clearly identify. The resolution of the angle of rotation position is comparatively high, even if the scanning element is above a rotation angle range of 120 ° el a constant signal detected.
Fig. 10 zeigt in Form eines Blockschaltbildes eine Einrich tung zur Erfassung der Drehzahl, Drehrichtung und Drehwinkel stellung eines Kommutatormotors. Fig. 10 shows in the form of a block diagram a Einrich device for detecting the speed, direction and angle of rotation of a commutator motor.
Die über ein Abtastelement erfaßten Signalverläufe werden innerhalb der Erfassungseinrichtung 16 zunächst einer Ein richtung 161 zur Signalaufbereitung zugeführt, in der die erfaßten Signale beispielsweise in Betragswerte umgewandelt werden, so daß eine beim Wechsel von motorischem zu genera torischem Betrieb stattfindende Spannungsumkehr nicht zu einer fehlerhaften Auswertung der Signalverläufe führt.The waveforms detected via a scanning element are first fed to a device 161 for signal processing within the detection device 16 , in which the detected signals are converted, for example, into absolute values, so that a voltage reversal taking place when changing from motor to generator operation does not result in an incorrect evaluation of the Waveforms leads.
Zudem ist die Einrichtung 161 zur Signalaufbereitung vorzugs weise mit aktiven elektronischen Filtern ausgestattet, mit denen schwingungsbedingte Signalstörungen ausgeblendet werden.In addition, the device 161 for signal processing is preferably equipped with active electronic filters with which vibration-related signal interference is masked out.
Die Erfassungseinrichtung 16 beinhaltet außerdem eine Auswer telogik 162, die aus den zuvor aufbereiteten Signalverläufen die jeweilige Drehzahl, Drehrichtung und/oder Drehwinkelstel lung des Kommutatormotors ermittelt und an eine Ausgabeein richtung 163 weitergibt. The detection device 16 also includes an evaluation telogic 162 , which determines the respective speed, direction of rotation and / or angle of rotation of the commutator motor from the previously processed signal profiles and forwards it to an output device 163 .
Ferner gibt die vorzugsweise aus einem Mikroprozessor beste hende Auswertelogik 162 ein Abschalt- oder Rückstellsignal an die Steuereinrichtung 17 des Kommutatormotors ab, sofern die erfaßten Spannungswerte bzw. die daraus abgeleitete Dreh zahl, Drehrichtung und/oder Drehwinkelstellung des Kommuta tormotors einen Einklemmvorgang oder eine Position signali sieren.Furthermore, the existing preferably a microprocessor evaluation logic 162 a shutdown or reset signal to the control device 17 of the commutator motor, provided the detected voltage values or the speed derived therefrom, direction of rotation and / or angle of rotation of the commutator motor a pinching process or a position signali sieren.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der erfin dungsgemäßen Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch machen.The invention is not limited in its execution the above-mentioned embodiments. Much more a number of variants are conceivable, which are invented by the inventor Solution according to the invention even with fundamentally different types Make use of the remarks.
Claims (16)
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