DE102021206870A1

DE102021206870A1 - Verfahren zum Ermitteln einer Drehzahl einer Drehvorrichtung und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102021206870A1
Application number: DE102021206870.7A
Authority: DE
Inventors: Jacek Wiszniewski; Kamil Pogorzelski
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-06-30
Filing date: 2021-06-30
Publication date: 2023-01-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Drehzahl einer Drehvorrichtung (12) mit einem Stator (36) und einem sich relativ zum Stator (36) drehenden Rotor (22), wobei der Rotor (22) eine gerade Anzahl im Wesentlichen kreisförmig über seinen Umfang verteilter Segmente (46) mit jeweils einem Winkelmaß (WS) aufweist und am Stator (36) eine Mehrzahl von Sensorelementen (32) derart angeordnet ist, dass die Sensorelemente (32) während einer Drehbewegung des Rotors (22) mit den Segmenten (46) zur Erzeugung zeitversetzter Sensorsignale (S1, S2, S3) zusammenwirken. Es wird vorgeschlagen, dass zumindest zwei Sensorelemente (32) mit einem Winkelversatz (Wv) derart zueinander angeordnet sind, dass aus dem Winkelversatz (WV) eine Abtastperiode (TV) zwischen zwei Abtastzeitpunkten (tn) der Sensorsignale (S1, S2, S3) resultiert, wobei das Verhältnis aus dem Winkelversatz (Wv) und der Abtastperiode (TV) proportional zu einer Drehzahl (n) der Drehvorrichtung (12) ist. Zudem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung (20) zur Durchführung des Verfahrens, wobei die Vorrichtung (20) eine Auswerteeinheit (30) zur Berechnung der Drehzahl der Drehvorrichtung (10, 12) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Drehzahl einer Drehvorrichtung und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik
Zu Erfassung der Drehzahl einer Drehvorrichtung wird herkömmlicherweise in periodischen Abständen eine Umdrehungsdauer einer sich relativ zu einer ersten Komponente drehenden zweiten Komponente der Drehvorrichtung gemessen. Dies kann beispielsweise durch eine Zählung von Impulsen erfolgen, die mittels eines in Segmente aufgeteilten Drehzahlgebers (z.B. die Pole eines Magnetrades) erzeugt werden. Dabei werden die Impulse innerhalb eines definierten Zeitfensters gezählt, um daraus unter Berücksichtigung einer Polpaarzahl der Drehvorrichtung die Drehzahl zu berechnen. Nachteilig bei diesen Ansätzen ist jedoch die relativ grobe Auflösung der Drehzahlerfassung, so dass es mitunter zu starken Verzögerungen bei einem nachfolgenden Steuerungs- oder Regelungsprozess kommen kann. Dies ist insbesondere bei schnellen Drehzahländerungen oder bei sehr langsam drehenden Drehvorrichtungen ein Problem.
Aus der DE 10 2011 078 041 A1 ist ein Verfahren zum Ermitteln einer Drehzahl einer Drehvorrichtung bekannt, wobei die Drehvorrichtung einen Drehzahlgeber aufweist, auf welchem über einen radialen Umfang verteilt Segmente angeordnet sind. Die Drehvorrichtung weist relativ zum Drehzahlgeber einen im Wesentlichen ortsfesten Sensor auf. Das Verfahren sieht ein kontinuierliches Ermitteln von Durchlaufzeiten aller Segmente relativ zum Sensor sowie ein kontinuierliches Ermitteln von Umdrehungszeiten des Drehzahlgebers durch Summieren der Durchlaufzeiten aller Segmente vor, wobei sich die Drehzahl kontinuierlich aus den Umdrehungszeiten ergibt. Die Umdrehungszeiten werden nach jedem Durchlauf eines Segments relativ zum Sensor ermittelt, wobei zur Ermittlung jeder Umdrehungszeit die aktuellsten Durchlaufzeiten aller Segmente verwendet werden.
Aus der WO 2015/069998 A1 ist ferner ein Verfahren zur Reduzierung von Fehlern bei der Drehzahlmessung eines Rotors bekannt. Dazu werden Zeitintervalle für das Durchlaufen der Zähne des Rotors in einem Ringpufferspeicherfeld gespeichert. Die Geschwindigkeit wird durch Extrahieren der Zeit für eine vollständige Umdrehung bestimmt, so dass geometrische Fehler und Asymmetrien des Rotor-Sollwerts keinen Einfluss auf die Geschwindigkeitsbestimmung haben, die die Durchschnittsgeschwindigkeit über die letzte vollständige Umdrehung darstellt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Ermittlung der Drehzahl einer Drehvorrichtung insbesondere für schnelle Drehzahländerungen und/oder sehr langsam drehende Drehvorrichtungen weiter zu verbessern.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln der Drehzahl einer Drehvorrichtung mit einem Stator und einem sich relativ zum Stator drehenden Rotor, wobei der Rotor eine gerade Anzahl im Wesentlichen kreisförmig über seinen Umfang verteilter Segmente mit jeweils einem Winkelmaß aufweist und am Stator eine Mehrzahl von Sensorelementen derart angeordnet ist, dass die Sensorelemente während einer Drehbewegung des Rotors mit den Segmenten zur Erzeugung zeitversetzter Sensorsignale zusammenwirken. Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist vorgesehen, dass zumindest zwei Sensorelemente mit einem Winkelversatz derart zueinander angeordnet sind, dass aus dem Winkelversatz eine Abtastperiode zwischen zwei Abtastzeitpunkten der Sensorsignale resultiert, wobei das Verhältnis aus dem Winkelversatz und der Abtastperiode proportional zu einer Drehzahl der Drehvorrichtung ist. Die Erfindung betrifft zudem eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die Vorrichtung eine Auswerteeinheit zur Berechnung der Drehzahl der Drehvorrichtung aufweist.
Mit besonderem Vorteil erlauben das erfindungsgemäße Verfahren und die zugehörige Vorrichtung eine gegenüber dem Stand der Technik erhöhte Abtastrate der Messung während einer mechanischen Umdrehung des Rotors der Drehvorrichtung. Dies ist insbesondere von Vorteil bei Drehvorrichtungen, deren Statoren ohnehin schon mehrere Sensorelemente beispielsweise zur Ermittlung der Drehrichtung aufweisen. Ein weiterer Vorteil ist, dass bereits eine Teildrehung des Rotors genügt, um die Drehzahl derart zu ermitteln, dass ein Segmentübergang zweier benachbarter Segmente die zumindest zwei im Winkelversatz zueinander angeordneten Sensorelemente passiert. Auf diese Weise kann die Drehzahl unabhängig vom Winkelmaß der einzelnen Segmente ermittelt werden. Somit haben unsymmetrisch oder symmetrisch über den Umfang des Rotors bzw. Signalgebers verteilte Segmente keinen Einfluss auf die Genauigkeit der Messung. Auch kann die Abtastung in beiden Drehrichtungen erfolgen. Das erfindungsgemäße Verfahren reduziert auf diese Weise die systembedingte Verzögerung einer nachgelagerten Regelung deutlich bzw. kann sie ganz vermeiden. Insbesondere in Verbindung mit einer so genannten Kickback-Erkennung bei Bohrmaschinen, Bohrhämmern, Schraubern, etc. kann so die Sicherheit eines Bedieners erhöht werden, weil die Regelung im Falle eines Festklemmens des Einsatzwerkzeugs im Werkstück schneller das Elektrowerkzeug abschalten kann.
Unter einem Stator und einem Rotor der Drehvorrichtung sollen eine erste und eine zweite Komponente der Drehvorrichtung verstanden werden, die sich relativ zueinander drehen. Dabei weist der Stator die Sensorelemente und der Rotor die mit den Sonsorelementen in einer Wirkverbindung stehenden Segmente auf. Eine relative Drehbewegung zwischen Stator und Rotor kann aber auch bedeuten, dass sich der Stator bzw. die gesamte Drehvorrichtung in einer Bewegung, insbesondere einer Drehbewegung, befinden können. Wesentlich für die Erfindung ist, dass es eine relative Drehbewegung zwischen Rotor und Stator gibt, deren Drehzahl mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfasst werden kann.
Um eine möglichst einfache Erfassung der Drehzahl in beiden Drehrichtungen zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass der Winkelversatz zweier benachbarter Sensorelemente kleiner ist als das Zweifache des kleinsten Winkelmaßes der Segmente des Rotors. Dadurch kommt es beim Passieren eines bestimmten Segmentübergangs vom ersten auf das zweite im Winkelversatz angeordnete Sensorelement nicht zu mehreren Flankenwechseln im Sensorsignal des zweiten Sensorelements während einer Abtastperiode, die zur Ermittlung der korrekten Drehzahl entsprechend unberücksichtigt bleiben müssten. Eine weiter erhöhte Abtastrate ist zudem gegeben, wenn der Winkelversatz zweier benachbarter Sensorelemente kleiner ist als das kleinste Winkelmaßes der Segmente des Rotors.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass sich die Abtastzeitpunkte zu benachbarten Flankenwechseln der einzelnen Sensorsignale mit gleicher Orientierung ergeben. Sprich, es werden entweder nur positive (von low auf high) oder nur negative (von high auf low) Flankenwechsel der einzelnen Sensorsignale berücksichtigt. Die Anzahl der definierten Abtastzeitpunkte während einer mechanischen Umdrehung des Rotors entspricht dann der Hälfte des Produkts aus der Anzahl der Sensorelemente und der Anzahl der Segmente des Rotors. Die gegenüber den Segmenten des Rotors erhöhte Anzahl der Abtastzeitpunkte bewirkt damit in besonders vorteilhafter Weise eine Erhöhung der Abtastrate, so dass die Messung der Umdrehungsdauer bzw. der Drehzahl des Rotors entsprechend genauer ist.
In einer alternativen Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass der Winkelversatz zweier benachbarter Sensorelemente größer ist, als das Zweifache des kleinsten Winkelmaßes der Segmente. In diesem Fall kommt es jedoch zu mehreren Flankenwechseln derselben Orientierung der zugehörigen Sensorsignale innerhalb einer Abtastperiode. Zur Berechnung der korrekten Drehzahl ist daher zusätzlich die Berücksichtigung des Winkelmaßes der Segmente erforderlich. Zwar ergibt sich auf diese Weise keine Erhöhung der Abtastrate, allerdings kann der Winkelversatz der beiden benachbarten Sensorelemente als zusätzliche Information zur Plausibilisierung der Drehzahlermittlung herangezogen werden.
Typische Drehvorrichtungen sind beispielsweise elektrische Maschinen, also alle Arten von elektrischen Motoren und Generatoren. Die Erfindung kann aber auch auf Verbrennungsmotoren, Radnaben, Drehlager, Lüfter, Ventilatoren, Pumpen oder dergleichen angewendet werden, die zwei sich relativ zueinander drehende Komponenten aufweisen. Mit besonderem Vorteil ist die Drehvorrichtung eine elektrische Maschine, wobei die Segmente des Rotors als abwechselnd gepolte Permanentmagnete und die Sensorelemente des Stators als Hall-Sensoren ausgebildet sind. Insbesondere im Falle einer passiven Drehvorrichtung, also einer Drehvorrichtung, deren Rotor durch einen externen Antrieb in eine Drehbewegung versetzt wird, ist es auch denkbar, dass die Sensorelemente durch Optokoppler oder andere auf Lichtreflexionen entsprechend ausgestalteter Segmente des Rotors reagierende Sensorelemente realisiert sind. Ebenso sind Sensorelemente auf Basis kapazitiver oder induktiver Signaländerungen entsprechend ausgestalteter Segmente des Rotors denkbar.
Ausführungsbeispiele
Zeichnung
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der 1 bis 7 beispielhaft erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen in den Figuren auf gleiche Bestandteile mit einer gleichen Funktionsweise hindeuten.
Es zeigen

1: ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2: eine Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einen EC-Motor mit einem Stator mit drei jeweils im Winkelversatz über den Umfang verteilten Sensorelementen und einem Rotor mit vier gleichmäßig im Winkelmaß über den Rotor verteilten Segmenten,
3: einen Zeitverlauf der Sensorsignale der drei Sensorelemente gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel nach 2,
4: eine Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf eine Pumpe bzw. einen Lüfter mit einem Pumpen- bzw. Lüftergehäuse mit drei jeweils im Winkelversatz über den Umfang verteilten Sensorelementen und einem Pumpen- bzw. Lüfterrad mit sechs in unterschiedlichen Winkelmaßen über den Rotor verteilten Segmenten,
5: einen Zeitverlauf der Sensorsignale der drei Sensorelemente gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel nach 4,
6: eine Schnittansicht eines dritten Ausführungsbeispiels zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf eine Pumpe bzw. einen Lüfter mit einem Pumpen- bzw. Lüftergehäuse mit zwei im Winkelversatz über den Umfang verteilten Sensorelementen und einem Pumpen- bzw. Lüfterrad mit acht gleichmäßig im Winkelmaß über den Rotor verteilten Segmenten und
7: einen Zeitverlauf der Sensorsignale der zwei Sensorelemente gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel nach 6.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die Erfindung soll zunächst anhand einer als bürstenloser Gleichstrommotor 10 - nachfolgend auch kurz als BLDC- (brushless direct current) bzw. EC-Motor (electronically commutated) bezeichnet - ausgestalteten Drehvorrichtung 12 erläutert werden. Der EC-Motor 10 weist gemäß den 1 und 2 statorseitig eine Drehstromwicklung 14 auf, deren Einzelzahnwicklungen 16 sternförmig zu den drei Phasensträngen U, V und W verschaltet sind. Die Drehstromwicklung 14 ist derart über eine Leistungsendstufe 18 einer Vorrichtung 20 steuer- oder regelbar, dass ein drehendes magnetisches Feld erzeugt wird, welches einen permanenterregten Rotor 22 mitzieht (vergleiche 2). Alternativ ist ebenso denkbar, die Erfindung im Zusammenhang mit einem Generator zu verwenden.
Die Leistungsendstufe 18 weist je Phasenstrang U, V, W der Statorwicklung 14 eine als Inverterschaltung ausgebildete Halbbrücke 24 auf. Jede Halbrücke 24 besteht aus einem ersten Leistungsschalter 26, der mit einem hohen Versorgungspotenzial V_H (High Side) verbunden ist, und einem zweiten Leistungsschalter 28, der mit einem niedrigen Versorgungspotenzial V_L (Low Side) verbunden ist. Die Leistungsschalter 26, 28 können als Halbleiterschalter in Form von IGBT, IGCT, Thyristoren, Leistungs-MOSFETs oder dergleichen, aber auch als Relais ausgebildet sein. Eine Steuer- bzw. Regeleinheit 30 der Vorrichtung 20 steuert bzw. regelt die Leistungsschalter 26, 28 zur Bestromung von jeweils zwei Phasensträngen U, V; U, W; V, W entsprechend einer Pulsweitenmodulation (PWM) derart an, dass einer der ersten Leistungsschalter 26 (z.B. T1) einer der drei Halbbrücken 24 geschlossen ist, während die beiden anderen ersten Leistungsschalter 26 (T3, T5) geöffnet sind, und dass einer der zweiten Leistungsschalter 28 (z.B. T2) einer weiteren der Halbbrücken 24 geschlossen ist, während die beiden übrigen zweiten Leistungsschalter 28 (T4, T6) geöffnet sind. Auf diese Weise können zur Erzeugung eines elektromagnetischen Drehfelds im Wechsel die ersten Leistungsschalter 26 und die zweiten Leistungsschalter 28 mittels dreier Sensorelemente 32, die beispielsweise als Hall-Sensoren 34 ausgebildet sind, derart geschaltet werden, dass immer vier Einzelzahnwicklungen 16 der Statorwicklung 14 bestromt sind, so dass während des Betriebs die resultierende Statordurchflutung im Mittel senkrecht zur Rotordurchflutung orientiert ist. Dem Fachmann ist diese Art der Beschaltung bekannt, so dass hier nicht weiter darauf eingegangen werden soll.
2 zeigt den EC-Motor 10 bzw. die Drehvorrichtung 12 in einer schematischen Schnittansicht. Der Stator 36 des EC-Motors 10 ist als ein hohlzylinderförmiger Körper ausgebildet, der sechs nach innen gerichtete Statorzähne 38 aufweist, auf denen er die Einzelzahnwicklungen 16 der Statorwicklung 14 trägt. Diese sind gemäß 1 in einer Sternschaltung verschaltet, wobei die gegenüberliegenden Einzelzahnwicklungen 16 jeweils miteinander zu einem Phasenstrang U, V, W verbunden sind. Es sei angemerkt, dass die Verschaltung der Statorwicklung 14 sowie die Anzahl der Einzelzahnwicklungen 16 und der Statorzähne 38 für die Funktionsweise der Erfindung unerheblich ist. Ein Fachmann könnte daher ebenso eine Dreieckschaltung oder dergleichen vorsehen.
Zwischen den Statorzähnen 38 sind mit jeweils einem Winkelversatz Wv von 60° über den Umfang des Stators 36 verteilt drei als Hall-Sensoren 34 ausgebildete Sensorelemente 32 angeordnet. Im Innern des als hohlzylindrischen Körper ausgebildeten Stators 36 ist der Rotor 22 relativ zum Stator 36 drehbar gelagert. Dazu ist der Rotor 22 drehfest mit einer Motorwelle 40 verbunden, die beispielsweise über entsprechende Kugel- oder Wälzlager drehbar im EC-Motor 10 gelagert ist. Dem Fachmann sind die Möglichkeiten zur Lagerung des Rotors 22 hinlänglich bekannt, so dass hierauf nicht weiter eingegangen werden soll.
Der Rotor 22 trägt auf seinem äußeren Umfang einen Magnetring 42 mit bevorzugt vergrabenen Permanentmagneten 44, die sich in ihrer Polarität N, S abwechseln. Ohne Einfluss auf die Erfindung sind aber auch Oberflächenmagnete 44 verwendbar. Die Permanentmagnete 44 bilden Segmente 46, die einerseits in Wechselwirkung mit der Statorwicklung 14 stehen und andererseits mit den Sensorelementen 32 zusammenwirken. Dabei dient die Wechselwirkung zwischen der Statorwicklung 14 und den Magneten 44 der Erzeugung einer Drehbewegung des Rotors 22 in Drehrichtung R infolge des aus der Beschaltung der Statorwicklung 14 resultierenden elektromagnetischen Drehfelds, während das Zusammenwirken der Magnete 44 mit den Sensorelementen 32 Sensorsignale S1, S2, S3 erzeugt, die zur Positionsbestimmung und zur Regelung der PWM mittels der Steuer- bzw. Regeleinheit 30 der Vorrichtung 20 dienen. Die Segmente 46 des Rotors 22 sind gleichmäßig über den Umfang des Rotors 22 verteilt und weisen daher alle dasselbe Winkelmaß W_S von jeweils 90° auf. Somit ist der Winkelversatz W_v zweier benachbarter Sensorelemente 32 kleiner als das Zweifache des Winkelmaßes W_S der Segmente 46 des Rotors 22.
In 3 ist der zeitliche Verlauf der drei Sensorsignale S1, S2, S3 über eine ganze mechanische Umdrehung mit dem mechanischen Drehwinkel 0 < φ_M < 360° des Rotors 22 aufgetragen. Neben den mechanischen Umdrehungen lassen sich aufgrund der Periodizität der Sensorsignale S1, S2, S3 auch elektrischen Umdrehungen mit elektrischen Drehwinkeln 0 < φ_E < 360° definieren. Im vorliegenden Beispiel ergeben sich somit pro mechanischer Umdrehung zwei elektrische Umdrehungen. Der Einfachheit halber soll jedoch nachfolgend immer der Bezug zu den mechanischen Umdrehungen gelten.
Bei jedem Passieren eines Übergangs von einem Segment 46 der Polarität N zum benachbarten Segment 46 der Polarität S kommt es zu einem positiven Flankenwechsel im Sensorsignal S1, S2, S3 des entsprechenden Sensorelements 32. Analog ergibt sich bei einem Segmentübergang eines Segments 46 der Polarität S zu einem Segment 46 der Polarität N ein negativer Flankenwechsel. Jedes Sensorsignal S1, S2, S3 weist demnach während einer mechanischen Umdrehung des Rotors 22 vier und während einer elektrischen Umdrehung zwei Flankenwechsel im Abstand vom Winkelmaß W_S auf. Somit kann die Drehzahl n des Rotors direkt anhand eines Sensorsignals S1, S2, S3 über die Beziehung $n = 60 * Ws / (360 ° * T_{s}) {min}^{- 1}$
berechnet werden, wobei T_S die gemessene Dauer zwischen zwei Flankenwechseln eines Sensorsignals S1, S2, S3 beschreibt.
Vielfach werden in Elektromotoren mehrere Sensorelemente 32 verwendet, um neben der Drehzahl auch die Drehrichtung bestimmen zu können. Mit besonderem Vorteil der Erfindung können daher die zeitversetzen Sensorsignale S1, S2, S3 zur Drehzahlbestimmung herangezogen werden, ohne dass konstruktive Zusatzmaßnahmen am EC-Motor 10 notwendig sind. Sind die einzelnen Sensorelemente 32, wie in 2 gezeigt, jeweils mit einem Winkelversatz W_V angeordnet, der kleiner ist als das Winkelmaß W_S der Segmente 46, so ist eine gegenüber den einzelnen Sensorsignalen S1, S2, S3 höhere Abtastrate erzielbar, wenn die einzelnen Sensorsignale S1, S2, S3 in Bezug zueinander gesetzt werden. In dem Fall resultiert beispielsweise aus dem Winkelversatz W_V zwischen zwei Sensorelementen 32 zu zwei aufeinanderfolgenden Abtastzeitpunkten t_n = t_i und t_n = t_i+1 des gleichen Polaritatswechsels eine Abtastperiode T_V der zugehörigen Sensorsignale S1, S2, wobei das Verhältnis aus dem Winkelversatz W_V und der Abtastperiode T_V proportional zur Drehzahl n des Rotors 22 ist, und es gilt $n = 60 * W_{v} / (360 ° * T_{v}) {min}^{- 1} .$
Für die Sensorsignale S2 und S3 der benachbarten Sensorelemente 32 gelten analoge Zusammenhänge.
Würde die gemessen Abtastperiode T_V = 2 ms betragen, so ergäbe sich mit einem Winkelversatz W_V = 60° eine Drehzahl von n = 5.000 min^-1. Die berechnete Drehzahl n ist somit unabhängig vom Winkelmaß W_S der einzelnen Segmente 46, so dass unsymmetrisch oder symmetrisch über den Umfang des Rotors 22 bzw. Signalgebers verteilte Segmente 46 keinen Einfluss auf die Genauigkeit der Messung haben. Dies soll nachfolgend anhand des zweiten Ausführungsbeispiels gemäß der 4 und 5 verdeutlicht werden. Sind die benachbarten Sensorelemente 32 zudem mit einem Winkelversatz W_V zueinander angeordnet, der kleiner ist als das kleinste Winkelmaß W_S der Segmente 46, so kann die Abtastrate gegenüber der Einzelabtastung der Sensorelemente 32 erhöht werden, was die Genauigkeit der Messung verbessert. Ein weiterer Vorteil ist, dass bereits eine kleinere Teildrehung des Rotors 22 genügt, um die Drehzahl n derart zu ermitteln, dass ein Segmentübergang zweier benachbarter Segmente 46 die zumindest zwei im Winkelversatz W_V zueinander angeordneten Sensorelemente 32 passiert.
Unter der Berücksichtig einer gleichen Orientierung der Flankenwechsel entspricht die Anzahl der Abtastzeitpunkte t_n während einer mechanischen Umdrehung des Rotors 22 der Hälfte des Produkts aus der Anzahl der Sensorelemente 32 und der Anzahl der Segmente 46 des Rotors 22. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt sie demnach 3 * 4 / 2 = 6 entsprechend der Nummerierung t_i bis t_i+5. Statt, wie in 3 dargestellt, nur die Flankenwechsel mit negativer Orientierung zu berücksichtigen, können alternativ auch die Flankenwechsel mit positiver Orientierung zur Berechnung der Drehzahl herangezogen werden.
Aufgrund der symmetrischen Aufteilung der Segmente 46, ist es ergänzend oder alternativ denkbar, beide Flankenwechsel-Orientierungen zu berücksichtigen. In dem Fall müsste bei einem Wechsel von einem positiven bzw. negativen Flankenwechsel des Sensorsignals S1 auf einen negativen bzw. positiven Flankenwechsel des Sensorsignals S2 eine Korrektur um das Winkelmaß W_S der Segmente 46 vorgenommen werden, so dass sich die Drehzahl n ergibt zu $n = 60 * (W_{v} + W_{s}) / (360 ° * T_{v}) {min}^{- 1} .$
Dies bewirkt jedoch einerseits eine deutliche Reduzierung der Abtastrate und andererseits eine Abhängigkeit vom Winkelmaß W_S der Segmente 46. Daher ist diese Lösung eher als zusätzliche Plausibilisierung zur Drehzahlermittlung sinnvoll.
Die 4 und 5 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Rotor 22 der Drehvorrichtung 12 ist nun beispielsweise als ein Pumpen- oder Lüfterrad 50 einer nicht näher gezeigten Pumpe bzw. eines nicht näher gezeigten Lüfters 52 ausgebildet. Die Pumpe bzw. der Lüfter 52 weist ein als Stator 36 dienendes Gehäuse auf, in dem drei als Optokoppler 54 ausgebildete Sensorelemente 32 mit einem Winkelversatz von W_V = 30° angeordnet sind. Das Gehäuse 36 ist nicht explizit dargestellt. Dem Fachmann ist der Aufbau einer Pumpe bzw. eines Lüfters 52 mit einem entsprechenden Gehäuse 36 aber bekannt, so dass hierauf nicht näher eingegangen werden soll. Über den Umfang des Lüfter- bzw. Pumpenrads 50 sind sechs Segmente 46 verteilt, die als Reflexionsschichten 56 mit abwechselnden Reflexionsgraden (z.B. Schwarz und Weiß) ausgebildet sind und die mit den Optokopplern 54 zur Erzeugung entsprechender Sensorsignale S1 bis S3 zusammenwirken.
Da die Segmente 46 des Rotors 22 unterschiedliche Winkelmaße W_S1, W_S2 von 45° bzw. 90° aufweisen, ergibt sich eine unsymmetrische Aufteilung, die im entsprechenden Sensorsignal S1, S2, S3 gemäß 5 erkennbar ist. Aufgrund des Zusammenhangs W_V < min(2 * W_S1, 2 * W_S2) kann die Drehzahl n wiederum unabhängig vom Winkelmaß W_S1, W_S2 zu den Abtastzeitpunkten t_n mit $n = 60 * W_{v} / (360 ° * T_{v}) {min}^{- 1}$
berechnet werden, wenn entweder nur die negativen oder nur die positiven Flankenwechsel der Sensorsignale S1, S2, S3 Berücksichtigung finden. Aufgrund der unsymmetrischen Verteilung der Segmente 46 bietet es sich nun jedoch nicht an, auch die Flankenwechsel unterschiedlicher Orientierung zu berücksichtigen, weil während der Drehung des Rotors 22 nicht bekannt ist, welches Segment 46 mit welchem Winkelmaß W_S1, W_S2 zum jeweiligen Abtastzeitpunkt t_n herangezogen wurde. Somit ergibt sich die Anzahl der Abtastzeitpunkte t_n während einer mechanischen Umdrehung des Rotors 22 analog dem ersten Ausführungsbeispiel aus der Hälfte des Produkts aus der Anzahl der Sensorelemente 32 und der Anzahl der Segmente 46 des Rotors 22, also 3 * 6 / 2 = 9 entsprechend der Nummerierung t_i bis t_i+8.
In den 6 und 7 ist ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Gleiche Bestandteile sind mit denselben Bezugszeichen versehen und sollen daher nur dann erneut erläutert werden, wenn sie für das dritte Ausführungsbeispiel von besonderer Bedeutung sind. Der Winkelversatz WV zweier benachbarter Sensorelemente 32 ist nun größer, als das Zweifache des Winkelmaßes Ws der Segmente 46 des Rotors 22. Somit ergibt sich eine gegenüber der Abtastung der Einzelsensorsignale S1, S2 verringerte Abtastrate. Die Drehzahl n lässt sich zwar mit $n = 60 * W_{v} / (360 ° * T_{v}) {min}^{- 1}$
unabhängig vom Winkelmaß W_S der Segmente 46 berechnen, allerdings muss bekannt sein, wie viele Flankenwechsel gleicher Orientierung ein Sensorsignal S1, S2 innerhalb des Winkelversatzes W_V aufweist, da nur der Flankenwechsel berücksichtigt werden darf, der auch für das Sensorsignal S1 des in Drehrichtung R voraus positionierten Sensorelements 32 berücksichtigt wurde. Mit 2 * W_S < W_V < 3 * W_S muss also im zeitlich nachfolgenden Sensorsignal S2 jeder zweite Flankenwechsel gleicher Orientierung ausgelassen werden. Die Anzahl der Abtastzeitpunkte t_n während einer mechanischen Umdrehung des Rotors 22 ist auch dann die Hälfte des Produkts aus der Anzahl der Sensorelemente 32 und der Anzahl der Segmente 46 des Rotors 22, also 2 * 8 / 2 = 8 entsprechend der Nummerierung t_i bis t_i+7.
Statt jeden zweiten Flankenwechsel gleicher Orientierung im Sensorsignal S2 auszulassen, kann die Drehzahl n unter Berücksichtigung des Winkelmaßes W_S alternativ auch berechnet werden zu $n = 60 * (W_{v} - 2 * W_{s}) / (360 ° * T_{v}) {min}^{- 1} .$
Somit kann auch hier die Abtastrate gegenüber einer Einzelauswertung der Sensorsignale S1, S2 erhöht werden.
Es sei abschließend noch darauf hingewiesen, dass die Erfindung weder auf die gezeigten Ausführungsbeispiele gemäß der 1 bis 7 noch auf die darin genannten Werte beschränkt ist. So kann z.B. eine abweichende Anzahl von Segmenten 46 des Rotors 22 und/oder Sensorelementen 32 zum Einsatz kommen. Zudem sei nochmals darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf eine Anwendung in einem Elektromotor eingeschränkt ist. Vielmehr kann sie bei allen Drehvorrichtungen mit zwei sich relativ zueinander drehenden Komponenten, insbesondere einem Stator und einem Rotor, zum Einsatz kommen. Auch die hier beschriebene Art der Sensorelemente und Segmente ist nicht einschränkend zu verstehen. So lassen sich statt der Flankenwechsel der Sensorsignale von low auf high bzw. high auf low beispielsweise auch kurzeitige Impulse zur Drehzahlbestimmung heranziehen, die durch entsprechende impulsgebende Punkte auf dem Rotor erzeugt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011078041 A1 [0003]
WO 2015069998 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Ermitteln einer Drehzahl einer Drehvorrichtung (12) mit einem Stator (36) und einem sich relativ zum Stator (36) drehenden Rotor (22), wobei der Rotor (22) eine gerade Anzahl im Wesentlichen kreisförmig über seinen Umfang verteilter Segmente (46) mit jeweils einem Winkelmaß (W_S) aufweist und am Stator (36) eine Mehrzahl von Sensorelementen (32) derart angeordnet ist, dass die Sensorelemente (32) während einer Drehbewegung des Rotors (22) mit den Segmenten (46) zur Erzeugung zeitversetzter Sensorsignale (S1, S2, S3) zusammenwirken, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Sensorelemente (32) mit einem Winkelversatz (W_V) derart zueinander angeordnet sind, dass aus dem Winkelversatz (W_V) eine Abtastperiode (T_V) zwischen zwei Abtastzeitpunkten (t_n) der Sensorsignale (S1, S2, S3) resultiert, wobei das Verhältnis aus dem Winkelversatz (W_V) und der Abtastperiode (T_V) proportional zu einer Drehzahl (n) der Drehvorrichtung (12) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelversatz (W_V) zweier benachbarter Sensorelemente (32) kleiner ist als das Zweifache des kleinsten Winkelmaßes (W_S), insbesondere kleiner als das kleinste Winkelmaß (W_S), der Segmente (46) des Rotors (22).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Abtastzeitpunkte (t_n) zu benachbarten Flankenwechseln der einzelnen Sensorsignale (S1, S2, S3) mit gleicher Orientierung ergeben.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Abtastzeitpunkte (t_n) während einer mechanischen Umdrehung des Rotors (22) der Hälfte des Produkts aus der Anzahl der Sensorelemente (32) und der Anzahl der Segmente (46) des Rotors (22) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelversatz (W_V) zweier benachbarter Sensorelemente (32) größer ist, als das Zweifache des kleinsten Winkelmaßes (W_S) der Segmente (46) des Rotors (22).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehvorrichtung (10) eine elektrische Maschine (12) ist, wobei die Segmente (46) des Rotors (22) als abwechselnd gepolte Permanentmagnete (44) und die Sensorelemente (32) des Stators (36) als Hall-Sensoren (34) ausgebildet sind.
Vorrichtung (20) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (20) eine Auswerteeinheit (30) zur Berechnung der Drehzahl der Drehvorrichtung (10, 12) aufweist.