DE19949106C2 - Verfahren zur Drehzahlmessung und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Drehzahlmessung, insbesondere an bürstenlosen Gleichstrommotoren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bei bürstenlosen Gleichstrommotoren erfolgt die Kommutie­ rung der Stromzufuhr durch entsprechendes Schalten des Ständerfeldes, d. h. entsprechend der Winkellage des Rotors werden die Ständerwicklungen umgepolt. Dazu ist es erfor­ derlich, ein Lagesignal des Rotors zu generieren, das einer Kommmutierungselektronik zugeführt wird, welche dann ent­ sprechend der Winkellage des Rotors Endstufen schaltet, die die Bestromung der Ständerwicklungen bewirken.

Um die dazu erforderlichen Rotorlagesignale zu erhalten, ist es bekannt, Sensoren mit einer auf der Rotorwelle ange­ brachten Signalscheibe zusammenwirken zu lassen.

Nach der DE 298 02 297 U1 sind dies Hall-Sensoren, die gegenüber einem auf der Rotorwelle angebrachten Scheibenma­ gneten oder auch beabstandet zu dem als Permanentmagneten ausgebildeten Rotor in dessen Polzahl entsprechender Anzahl angeordnet sind. In letzterem Fall können bevorzugt, zwi­ schen der Stirnseite des Rotors und den Hall-Sensoren magnetisch leitende Einlegeteile vorgesehen sein, die das an den Rotorpolen austretende Magnetfeld zu den beabstande­ ten Hall-Sensoren leiten. Jede Rotorlage oder jede Schritt­ stellung, die der Rotor entsprechend der Polpaarzahl des Motors einnehmen kann, ergibt dann ein Lagesignal, von dem abhängig die Bestromung der Ständerwicklung geschaltet wird. Für eine Drehzahlregelung solcher Motoren ist ein möglichst genauer Drehzahlwert erforderlich.

Aus DE 196 50 908 A1 ist ein elektronisch kommutierter Motor mit drei Rotorstellungssensoren bekannt, welche im Betrieb entsprechend einer an dem Rotor vorgesehenen Rotor­ stellungsinformation digitale Rotorstellungssignale erzeu­ gen können, die eine Kommutierung der im Stator des Motors fließenden Ströme ermöglichen. Die Kommutierungszuständen des Motors jeweils zugeordneten Kombinationen von Rotor­ stellungssignalen bilden hierbei eine erste Menge. An dem Rotor sind weiterhin Hilfsinformationen vorgesehen, welche bei der Erfassung durch die Rotorstellungssensoren außer­ halb der Rotorstellungen, an denen Kommutierungsvorgänge stattfinden, zu Kombinationen von weiteren Rotorstellungs­ signalen führen, die zusammen eine zweite Menge von Kombi­ nationen bilden, wobei die Schnittmenge von erster Menge und zweiter Menge gleich Null ist. Durch die Erfassung von Hilfsinformationen erhöht sich die Frequenz der von den Rotorstellungssensoren abgegebenen Impulse und ermöglicht dadurch eine Drehzahlregelung bei niedrigeren Drehzahlen. Zur Ermittlung der Rotordrehzahl werden hierbei die Rotorstellungssignale einem Mikroprozessor zugeführt, der durch einen im Betrieb fortlaufend erfolgenden Durchlauf einer Regelschlaufe kurzer zeitlicher Dauer Änderungen der jeweils gebildeten Signalkombinationen erfaßt und die Zeit­ dauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Änderungen durch Zählung der Zahl der zwischen diesen Änderungen durchlaufe­ nen Programmschleifen ermittelt und für eine Drehzahlrege­ lung des Motors auswertet.

Es ist weiterhin aus DE 41 37 559 A1 eine Einrichtung zur Erfassung mindestens einer Zustandsgröße eines bürstenlosen Gleichstrommotors bekannt, bei welchem der Rotor des Gleichstrommotors bipolare Segmente aus paramagnetischem Material und mindestens ein Hall-Element aufweist, das so angeordnet ist, daß sich das Magnetfeld der Segmente der Ausgangsspannung des Hall-Elements aufprägt. Eine Logikein­ heit ermittelt aus der Ausgangsspannung des Hall-Elements die Temperatur des bürstenlosen Gleichstrommotors und anhand der Nulldurchgänge der Ausgangsspannung des Hall- Elements dessen Drehzahl. Sind mindestens zwei Hall-Ele­ mente vorgesehen, so kann die Logikeinheit anhand der rela­ tiven Lage der Kombinationen der Ausgangssignale der Hall- Elemente auch die Drehrichtung des Rotors ermitteln.

Bei einem aus DE 195 36 840 A1 bekannten Verfahren zur Drehzahlmessung wird mit einem Sensor eine auf dem Umfang eines drehenden Systems angeordnete Gesamtzahl M von Signalquellen erfaßt und die vom Sensor generierten Dreh­ zahlsignale werden von einem Zähler zu einer Drehzahlsi­ gnalsumme N gezählt. Gleichzeitig wird mit jeder Drehzahl­ signalsumme N ein zugehöriger Zeitreferenzwert A_N auf genom­ men und die Drehzahlsignalsumme N und der Zeitreferenzwert A_N werden paarweise in einem Speichermedium ähnlich einem Ringspeicher gespeichert. Aus dem Speichermedium wird anschließend der Zeitreferenzwert A_N-M ausgelesen, welcher genau eine Umdrehung früher mit der Drehzahlsignalsumme N - M abgespeichert wurde. Durch Subtraktion der Zeitreferenz­ werte A_N und A_N-M wird die Umlaufzeit für eine Umdrehung des drehenden Systems und durch Bildung des Reziprokwerts der Umlaufzeit die Drehzahl berechnet. Anschließend wird dieselbe Berechnung der Drehzahl über eine Gesamtumdrehung des drehenden Systems für die nächste, in Drehrichtung fol­ gende Signalquelle mit dem Zeitreferenzwert A_N+1 durchge­ führt. Bei diesem Verfahren ist die Bestimmungszeit nicht von der vergleichsweise lange dauernden Erfassung und Speicherung der Wertepaare, sondern nur von der Rechenzeit der Recheneinheit und der Zeit für die Datenkommunikation zwischen Speichermedium und Recheneinheit abhängig.

Bei einem anderen aus EP 90 717 A1 bekannten Verfahren werden den von einem Sensor erfaßten Winkelschritten eines Rotors entsprechende Abtastimpulse erzeugt und einer Inter­ vallmeßschaltung zugeführt, welche die während eines Gesamtzeitintervalls auftretenden Abtastimpulse zählt. Die Zahl der Abtastimpulse pro Gesamtzeitintervall ist der Drehzahl des Rotors proportional. Das Gesamtzeitintervall wird hierbei asynchron zu den Abtastimpulsen gebildet und besteht aus einer Periode gleicher Zwischenintervalle, der Addition eines vorausgehenden Intervalls und der Subtrak­ tion eines nachfolgenden Intervalls, wobei das vorausge­ hende Intervall die Zeit zwischen dem Beginn der Zwischen­ intervallperiode und dem letzten vorausgegangenen Abtastim­ puls und das nachfolgende Intervall die Zeit zwischen dem Ende der Zwischenintervallperiode und dem letzen vorausge­ gangenen Abtastimpuls ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein vielseitig einsetzbares und wirtschaftliches Verfahren aufzuzeigen, mit dem die Drehzahl einer Welle, insbesondere bei bürstenlosen Gleich­ strommotoren, ausreichend genau ermittelt werden kann, um für die Regelung der Drehzahl genutzt werden zu können, und zwar auch bei vergleichsweise kleinen Drehzahlen. Fehler, die aufgrund von Fertigungstoleranzen mitwirkender Bauteile auftreten können, sollen minimiert bzw. ausgeglichen wer­ den; gleichzeitig soll eine optimale Abtastung der Drehzahl erreicht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 angegebene Verfahren gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 6 angegeben.

Indem der für mehrere Zustandsänderungen an den Sensoren während einer Umdrehung benötigte Zeitabstand gemessen wird, wird eine räumliche Mittelung der gemessenen Zeitab­ stände gebildet, so daß auf Fertigungstoleranzen z. B. der Signalscheibe und/oder Lagetoleranzen der Sensoren beru­ hende Meßfehler prozentual verringert werden und damit eine Glättung der erhaltenen Drehzahlwerte erreicht wird. Durch die sich überlappend gemessenen Zeitabstände wird neben der Fehlerreduzierung durch die räumliche Mittelung gleichzei­ tig erreicht, daß sich die Anzahl der Drehzahlwerte pro Umdrehung nicht verringert, so daß die erhaltenen Drehzahl­ werte sich noch besser für eine Drehzahlregelung, und zwar auch bei niedrigen Drehzahlen eignen. Die Reglerstabilität erhöht sich. Die überlappende Zeitmessung erhöht die Abtastrate, ohne daß die Auflösung an einem Signalgeber erhöht werden muß. Das erfindungsgemäße Verfahren hat wei­ terhin den Vorteil, daß sich bei einer Drehzahlabsenkung eine gute Annäherung der berechneten Drehzahl an die reale Drehzahl erreichen läßt. Da das erfindungsgemäße Verfahren Fertigungstoleranzen bei der Signalscheibe, insbesondere der Permanentmagnetscheibe und deren Einteilung in Nord- und Südpole zuläßt, ergeben sich Kosteneinsparungen bei der Herstellung.

Ein stärkerer Drehzahlabfall kann durch die Weiterbildung des Verfahrens gemäß Patentanspruch 2 berücksichtigt wer­ den. Hierdurch gehen solche Drehzahländerungen noch schnel­ ler in die Berechnung ein, so daß eine schnellere Reaktion des Reglers möglich ist, um die Drehzahl wieder auf den Sollwert regeln zu können.

Eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Anspruch 7 angegeben. Die Ansprüche 8 bis 10 kennzeichnen vorteilhafte Ausgestal­ tungen der Vorrichtung.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der nachfolgenden Zeichnungen am Beispiel eines zweiphasigen, bürstenlosen Gleichstrommotors näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 schematisch den Aufbau einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Vorrich­ tung zur Drehzahlermittlung

Fig. 2 das Prinzip des Verfahrens zur Glättung gewonnener Drehzahlwerte,

Fig. 3 mit Bezug auf Fig. 2 auf einer Zeitachse t auf­ getragen die Sensorzustände, die während eines Meßvorgangs in einer Drehrichtung eingenommen werden und die Abfolge der gemessenen Zeitabstände,

Fig. 4 einen realen Drehzahlverlauf im Vergleich zum Verlauf der durch Periodendauermessung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zuständen ermittelten Drehzahl und zu einem geglätteten Drehzahlverlauf, bei dem die Drehzahl nur alle 180° bestimmt wird (nicht überlappende räumliche Glättung),

Fig. 5 den realen Drehzahlverlauf gemäß Fig. 4 wiederum im Vergleich zum Verlauf der durch Periodendauer­ messung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zuständen ermittelten Drehzahl und zu einem geglätteter Dreh­ zahlverlauf, bei dem die Drehzahl bei jedem Über­ gang bestimmt wird (überlappende räumliche Glät­ tung),

Fig. 6 den realen Drehzahlverlauf gemäß Fig. 4 im Ver­ gleich zu gemessenen und nachträglich geglätteten Drehzahlverläufen,

Fig. 7 das Prinzip eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 8a-8c Zeitstrahlen verschiedener Meßsituationen des Verfahrens gemäß Fig. 7.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird beispielhaft für die Anwendung bei einem zweiphasigen, bürstenlosen Gleichstrom­ motor beschrieben, ohne darauf beschränkt zu sein, denn es läßt sich auch auf höherphasige, z. B. dreiphasige, und/oder höherpolige Systeme übertragen.

Es wird zunächst Bezug genommen auf Fig. 1. Sie zeigt schematisch den Aufbau einer Vorrichtung, die zur Drehzahl­ ermittlung nach der Erfindung geeignet ist. Sie besteht im Prinzip aus einer mit der Rotorwelle drehbaren Signal­ scheibe 10, die sektorartig in Signalfelder 11 und 12 unterteilt ist, die abwechselnd die zwei Zustände 0 und 1 eines Binärsignals repräsentieren. Der Stirnseite der Signalscheibe 10 mit ihren Signalfeldern 11 und 12 gegenüberliegend sind zwei auf die Signale der Signalscheibe 10 ansprechende Sensoren 13 in einem Winkel a zueinander ange­ ordnet, der abhängig von der Unterteilung der Signalscheibe 10 zu wählen ist, welche sich wiederum nach der Polpaarzahl des Motors richtet.

Im Falle des gewählten Beispiels eines zweiphasigen Gleich­ strommotors ist die Signalscheibe 10 also in vier gleich große Sektoren zu 90° unterteilt, die abwechselnd die Signalfelder 11 bzw. 12 bilden, und die beiden Sensoren 13 stehen zueinander in einem Winkel von 45°.

Weiter wird im folgenden angenommen, daß die Signalscheibe 10 bevorzugt eine Permanentmagnetscheibe 10 ist, die sek­ torartig abwechselnd in Nord- und Südpole eingeteilt ist; die Sensoren 13 sollen Hall-Sensoren sein. Andere Signalge­ bersysteme sind aber ebenfalls möglich, z. B. beruhend auf dem optischen Prinzip.

Der Rotor des als Beispiel angenommenen zweiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotors, der aus einem zweiphasigen Schrittmotor abgeleitet wurde, kann innerhalb einer ganzen Umdrehung insgesamt acht Stellungen bzw. Vollschrittposi­ tionen einnehmen. Mit einer gemäß Fig. 1 aufgebauten Vor­ richtung können alle diese acht Stellungen detektiert wer­ den.

Jeder der Hall-Sensoren 13 gibt abhängig von der Richtung des magnetischen Feldes, in dessen Flußbereich er sich gerade befindet, also je nachdem, ob er sich einem nordpo­ ligen Signalfeld 11 oder einem südpoligen Signalfeld 12 der Signalscheibe 10 gegenüber befindet, den Wert 1 oder 0 aus, und der Winkel a, in dem die Hall-Sensoren 13 zueinander stehen, ist im Beispiel mit 45° so gewählt, daß bei den aufeinander folgenden Rotorlagen die Hall-Sensoren 13 abwechselnd gemeinsam einem der Magnetfelder bzw. jeweils einem anderen von zwei benachbarten Magnetfeldern gegen­ überstehen.

Werden die Ausgabewerte 0 und 1 der beiden Hall-Sensoren 13 gemeinsam als 2-Bit-Zahl interpretiert, so ergeben sich gemäß folgender Tabelle die Werte 0, 1, 2 oder 3 als gemeinsame Zustandsbeschreibung der Hall-Sensoren 13 und damit für die Stellung des Rotors.

Auch die Drehrichtung des Rotors läßt sich damit eindeutig bestimmen. Dreht sich der Rotor vorwärts im Uhrzeigersinn, so ergibt sich die Reihenfolge an Zustandsänderungen an den Hall-Sensoren 13 von 0-2-3-1; dreht sich der Rotor rück­ wärts entgegen dem Uhrzeigersinn so ergibt sich die Reihen­ folge 0-1-3-2.

Da der Zeitabstand zwischen zwei Zustandsänderungen an den Sensoren 13 der Drehzahl des Rotors umgekehrt proportional ist, würde es im Prinzip genügen, den Zeitabstand jeweils zwischen zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden Zu­ standsänderungen zu messen, um daraus den Drehzahlwert ableiten zu können.

Infolge von Fertigungstoleranzen an der Signalscheibe 10 sind die Sektoren und damit die Signalfelder 11, 12 in ihrer Größe aber meist unregelmäßig, und dies insbesondere bei der hier bevorzugten Ausführungsform der Signalscheibe 10 als Permanentmagnetscheibe mit wechselnder Polung. Der ermittelte Drehzahlwert würde damit starken Schwankungen unterliegen, was sich bei der Drehzahlregelung sehr negativ auswirken würde. Auch Lagetoleranzen der Sensoren 13 beein­ flussen die Genauigkeit der ermittelten Drehzahl.

Um für eine Drehzahlregelung tauglich zu sein, muß der ermittelte Drehzahlwert also geglättet werden. Dies kann prinzipiell auf zwei Arten geschehen.

Einmal können mehrere Drehzahlwerte hergeleitet und aus diesen anschließend eine Mittelwert gebildet werden; es handelt sich dabei um eine zeitliche Mittelung.

Um den prozentualen Fehler zu verkleinern, kann auch die Zeit gemessen werden, die der Rotor des Gleichstrommotors zwischen mehr als zwei Zustandsänderungen der Sensoren 13 benötigt, nach dem angegebenen Beispiel also etwa bei einer Drehung um 90° oder 180° an Stelle der Zeit zwischen nur zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden Zustandsänderungen bei einer Drehung von 45°. Da die absolute Abweichung des ermittelten Drehzahlwertes gleich bleibt, aber der zurückgelegte Winkel vergrößert ist, wird damit der prozen­ tuale Fehler verkleinert.

Wird in dem hier angenommenen Beispiel die Zeit gemessen, die der Rotor für die einer Drehung von 180° entsprechenden Zustandsänderungen benötigt (siehe auch Fig. 2), so ver­ ringert sich der prozentuale Fehler auf ein Viertel gegen­ über dem, der auftritt, wenn nur die Zeit zwischen zwei unmittelbar aufeinander folgenden Zustandsänderungen nach einer Drehung von 45° gemessen wird. Es handelt sich dabei um eine räumliche Mittelung.

Die zeitliche und die räumliche Mittelung können auch kombiniert eingesetzt werden.

Ein Verfahren beruht auf der räumlichen Mittelung, und diese wird für das oben angegebene Beispiel eines zweiphasigen Gleichstrommotors anhand der Fig. 2 näher erläutert.

Auf einem in Sektoren von 45° eingeteilten Kreis sind die möglichen Rotorstellungen als 2-Bit-Zahlen 0 bis 3 der Sensorzustände gemäß obiger Tabelle aufgetragen. Nach einer Drehung von 180° wird jeweils der gleiche gemeinsame Sen­ sorzustand der Sensoren 13 wieder erreicht, und es wird zur räumlichen Mittelung des Drehzahlwertes der Zeitabstand zwischen dem Auftreten von jeweils zwei gleichen Sensorzu­ ständen 0-0, 2-2, 3-3, 1-1 gemessen. Diese Reihenfolge ent­ spricht der Drehung des Rotors im Uhrzeigersinn.

Würde man die räumliche Mittelung nur für einen Sensor-Zu­ standswert (z. B. 3-3) durchführen, erhielte man nur nach einer jeweiligen Drehung von 180° einen neuen Drehzahlwert. Dies würde insbesondere bei niedrigen Drehzahlen eine sehr geringe Anzahl von Drehzahlwerten ergeben, die für eine Drehzahlregelung nicht immer ausreichend wäre.

Wird dagegen für jeden Sensor-Zustandswert 0 bis 3 die räumliche Mittelung durchgeführt, so erhält man trotz die­ ser räumlichen Mittelung bei jeder Sensor-Zustandsänderung einen neuen Drehzahlwert, und es wird so die mit diesem Meßverfahren maximal mögliche Abtastfrequenz bei gleichzei­ tiger Glättung des erhaltenen Drehzahlwertes erreicht.

Fig. 2 und 3 veranschaulichen das Prinzip des Meßverfah­ rens. T_PO ist dabei die zwischen zwei Sensorzuständen 0 gemessene Zeit, d. h. beide Sensoren 13 gaben jeweils den Signalwert 0 ab (siehe die obige Tabelle), T_P1, T_P2 und T_P3 sind dementsprechend die zwischen zwei gleichen Sensorzu­ ständen 1, 2 und 3 gemessenen Zeiten. In Fig. 2 sind diese Zeiten am Kreis mit den den möglichen Rotorpositionen ent­ sprechenden Sensorzuständen für eine Vorwärtsdrehung des Rotors im Uhrzeigersinn aufgetragen. Es ist dabei klar zu erkennen, daß ein gleicher Sensorzustand immer nach einer jeweiligen Drehung von 180° erreicht wird und daß mit jedem erreichten Sensorzustand bzw. aus jeder möglichen Rotorschrittstellung eine Zeitmessung beginnt.

In Fig. 3 ist dasselbe Prinzip nochmals linear darge­ stellt. Auf einer Zeitachse t sind die Sensorzustände 0 bis 3 in der Reihenfolge aufgetragen, wie sie bei einer Vor­ wärtsdrehung nacheinander erreicht werden. Zur Vereinfa­ chung sind dabei die einzelnen Sensorzustände gleichmäßig beabstandet wiedergegeben. In der Realität variieren diese Abstände infolge der erwähnten Fertigungstoleranzen und Ungenauigkeiten. Über der Zeitachse t ist auch hier die mit jedem erreichten Sensorzustand einsetzende Zeitmessung zwi­ schen zwei gleichen Sensorzuständen dargestellt, wobei zwei aufeinanderfolgende gleiche Sensorzustände wiederum einer Rotordrehung von 180° entspricht.

Aus den gemessenen Zeiten kann fortlaufend die aktuelle Drehzahl hergeleitet werden. Tritt über eine bestimmte Zeit keine Sensorzustandsänderung auf, so wird dies berücksich­ tigt, indem der Drehzahlwert abgesenkt wird. Ein entspre­ chender Timeout oder Zeitabstand für eine Drehzahlabsenkung kann z. B. solldrehzahlabhängig vorgegeben werden.

Die zu messenden Zeitabstände T_P0, T_P1, T_P2 und T_P3 können z. B. über vier Zeitmesser oder Timer eines Reglers oder Controllers gemessen werden.

Für eine weitere Glättung können die vier ermittelten Drehzahlwerte untereinander nochmals gemittelt werden.

Für den vorzeichenbehafteten Drehzahlwert ist die Drehrichtung, die sich, wie oben erwähnt, aus der Reihenfolge der Sensorzustände ermitteln läßt, zu berücksichtigen.

Das Verfahren wurde für einen willkürlich gewählten Drehzahlverlauf simuliert, um seine Wirkungsweise und die damit erzielten Vorteile aufzuzeigen. Die Ergebnisse sind in den Diagrammen der Fig. 4 bis 6 wiedergegeben.

In allen diesen drei Diagrammen ist der tatsächliche oder reale Drehzahlverlauf, der sinusförmig gewählt wurde, mit einer strichpunktierten Sinuskurve a wiedergegeben.

Die Kurve b in den Fig. 4 und 5 gibt den Verlauf der mit dem beschriebenen Verfahren theoretisch genauest möglich ermittelbaren Drehzahl wieder, wenn nämlich die Drehzahl fortlaufend aus dem Zeitabstand zwischen zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden Sensorzustandsänderungen 0 bis 3 (siehe Fig. 2) errechnet wird; sie gibt also das bestmög­ liche Ergebnis wieder, das mit dem beschriebenen Verfahren überhaupt zu erreichen ist. Voraussetzung dafür ist aller­ dings, daß die Vorrichtung zur Signalerzeugung an den Sen­ soren 13 und zur Auswertung der Signale exakte Werte lie­ fert und diese nicht durch Fertigungstoleranzen (z. B. der Signalscheibe 10) oder Lagetoleranzen (z. B. der Sensoren 13) oder sonstige Abweichungen verfälscht sind.

Die Kurve c in Fig. 4 gibt den Verlauf der berechneten Drehzahl wieder, wenn die Drehzahl aus dem Zeitabstand berechnet wird, der für mehr als zwei Zustandsänderungen an den Sensoren 13, im hier angenommenen Beispiel für eine Drehung um 180°, benötigt wird, wenn also, wie oben darge­ legt, eine einfache räumliche Mittelung durchgeführt wird. Dabei werden Toleranzen in der Signalerzeugung ausgegli­ chen, es stehen aber nur deutlich weniger Drehzahlwerte zur Verfügung, die für eine Drehzahlregelung, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen, nicht immer ausreichend sein können.

Die Kurve d in Fig. 5 gibt den Verlauf der nach dem, wie oben beschrieben, fortentwickelten Verfahren der räumlichen Mittelung berechneten Drehzahl wieder, wenn also die Dreh­ zahl aus den Zeitabständen berechnet wird, die für mehr als zwei Zustandsänderungen an den Sensoren 13, hier wieder beispielhaft eine Drehung um 180°, benötigt wird und bei jeder Zustandsänderung an den Sensoren eine Zeitmessung einsetzt, so daß einerseits eine räumliche Mittelung durch­ geführt, aber dennoch eine höchstmögliche Anzahl von Dreh­ zahlwerten erzielt wird, im hier angenommenen Beispiel nach jeder Drehung um 45° ein Drehzahlwert gewonnen wird. Es findet hier sozusagen eine mehrfache, sich überschneidende, räumliche Mittelung statt.

Vergleicht man die Kurven der Fig. 4 und 5, so ist zunächst festzustellen, daß alle Kurven b bis d gegenüber dem realen Drehzahlverlauf der Sinuskurve a eine Totzeit aufweisen, die im Aufbau des Meßsystems und der Berech­ nungsmethode begründet sind. Beim Vergleich der Kurven c und d mit der dem theoretisch bestmöglich erreichbaren Ergebnis entsprechenden Kurve b, ist deutlich zu erkennen, daß die die mehrfache räumliche Mittelung repräsentierende Kurve d gegenüber der Kurve c der einfachen räumlichen Mit­ telung eine deutliche Verbesserung darstellt, sie nämlich der Kurve b des bestmöglichen Ergebnisses in auffallender Weise angenähert ist. Die Drehzahlmessung nach der mehrfa­ chen räumlichen Mittelung ist von ihrer Qualität her (Totzeit, Abtastrate) mit dem bestmöglichen Ergebnis nach der Kurve b vergleichbar; gleichzeitig wird dabei aber der negative Einfluß von Fertigungs- und/oder Lagetoleranzen am Signalgeber deutlich verringert.

In Fig. 6 sind nachträglich geglättete Drehzahlverläufe dargestellt. Die Kurve e stellt den zeitlich gemittelten Drehzahlverlauf aus den jeweils letzten vier Drehzahlwerten nach Kurve c dar und die Kurve f den zeitlich gemittelten Drehzahlverlauf aus den letzten vier Drehzahlwerten nach Kurve d. Man kann daraus ersehen, daß eine nachträgliche Glättung in jedem Falle bezüglich der für das Regelverhal­ ten wichtigen Totzeit einen Nachteil darstellt.

Fig. 7 veranschaulicht das erfindungsgemäße Verfahren am Beispiel eines dreiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotors mit drei in einem Winkelabstand von z. B. 60° angeordneten Hallsensoren und einer analog zu Fig. 1, in vier Signalfeldern unterteilten Signalscheibe. Bei einer solchen Anordnung ergeben sich pro Rotorumdrehung bei den drei Sensoren insgesamt zwölf Zustandsänderungen, die einen Winkelabstand von 30° haben und in dem Kreisdiagramm gemäß Fig. 7 jeweils durch einen Radius wiedergegeben sind. Bei jeder Zustandsänderung wird der Zeitabstand t_s zur vorher­ gehenden Zustandsänderung und die Drehrichtung gemessen. Die gemessenen Werte t_s0-t_s11 werden in ihrer zeitlichen Folge zusammen mit der durch Vorzeichen gekennzeichneten Drehrichtung in einem Ringpuffer abgelegt, der eine bestimmte, gleichbleibende Zahl von Werten speichert und bei jeder Hinzufügung eines neuen Wertes den jeweils ältes­ ten Wert löscht. Wie bei dem vorstehend beschriebenen Bei­ spiel kann bei jeder Zustandsänderung eine Drehzahlberech­ nung durchgeführt werden, wobei eine Folge der jüngsten Werte des Ringpuffers, deren gespeicherte Drehrichtungen mit der aktuellen Drehrichtung übereinstimmen, zu einem Wert t_{s Σ} aufaddiert und daraus die Drehzahl bestimmt wird. In vielen Fällen hat es sich als ausreichend erwiesen, wenn jeweils die vier jüngsten gespeicherten Werte zur Drehzahl­ berechnung herangezogen werden, sofern ihre Drehrichtung mit der aktuellen Drehrichtung übereinstimmt. Ist dies nicht der Fall, sondern stimmen beispielsweise nur die letzten drei Werte mit der aktuellen Drehrichtung überein, so werden nur diese zur Drehzahlberechnung herangezogen.

Die Drehzahlberechnung durch Auswertung der gespeicherten Zeit- und Richtungswerte kann auch zyklisch und unabhängig von der Rotorlage bzw. deren Änderung, z. B. in einem zyklisch abgearbeiteten digitalen Regler geschehen. In Fig. 7 bezeichnen die Radiallinien x₁ und x₂ Zeitpunkte eines solchen Zyklus an welchen ein Aufruf zur Drehzahlbe­ rechnung erfolgt. Die Zeitpunkte x₁, x₂ . . . x_n haben jeweils einen Zeitabstand t_L zu der letzten gemessenen Zustandsän­ derung der Sensoren, der ebenfalls gemessen wird und in bestimmten Fällen ebenfalls zur Drehzahlberechnung herange­ zogen werden kann.

In den Fig. 8a bis 8c sind drei Fälle angegeben, die sich bei zyklischer Drehzahlbestimmung ergeben können. Die Figuren zeigen auf einem Zeitstrahl verschiedene Zeitpunkte x₁, zu dem der Aufruf zur Drehzahlberechnung erfolgt, die fünf letzten Zustandsänderungen z der Sensoren, die gemes­ senen und gespeicherten Zeitabstände t_s1, t_s0, t_s11, t_s10 zwischen den Zustandsänderungen z und die noch nicht erfassten Zeitabstände t_s2 und t_s3 zu bzw. zwischen zukünf­ tigen Zustandsänderungen der Sensoren.

Bei dem Fall gemäß Fig. 8a ist der Zeitabstand t_L zwischen dem Zeitpunkt x₁ und der letzten Zustandsänderung z kleiner als der zuletzt gespeicherte Zeitabstand t_s1. In diesem Fall gibt der Zeitabstand t_L keinen Aufschluß über die reale Drehzahl. Zur Drehzahlberechnung werden daher nur die vier letzten gespeicherten Zeitabstände t_s1, t_s0, t_s11 und t_s10 aufsummiert.

Bei dem in Fig. 8b gezeigten Fall ist die bei Aufruf zur Drehzahlberechnung seit der letzten Zustandsänderung z ver­ strichene Zeit t_L etwa 10% größer als der zuletzt im Ring­ puffer gespeicherte Wert t_s1. In diesem Fall wird die Zeit t_L in die Drehzahlberechnung einbezogen, indem die Summe t_{s Σ} aus den letzten vier Werten t_s1, t_s0, t_s11, t_s10 und der Zeit t_L gebildet wird. Die Zeit t_L verkörpert somit einen mindestens zehnprozentigen Drehzahlabfall. Durch die Berücksichtigung von t_L als fünften Wert wird eine bessere Annäherung der berechneten Drehzahl an die reale Drehzahl erreicht.

Ist die Zeit t_L, wie in Fig. 8c gezeigt etwa doppelt so groß wie der letzte gespeicherte Wert t_s1, so deutet dies auf einen starken Drehzahlabfall hin. Um dies bei der Dreh­ zahlberechnung schneller berücksichtigen zu können, wird die Anzahl der gespeicherten Werte, die zur Drehzahlberech­ nung herangezogen werden bzw. der Winkel über den die räum­ liche Mittelung erfolgt, z. B. auf die letzten drei Werte t_s1, t_s0, t_s11 verringert. Die Summe t_{s Σ} wird somit aus der Zeit t_L und den Werten t_s1, t_s0 und t_s11 gebildet. Die Anzahl der aufaddierten Werte kann auch kleiner als drei werden. Ist der Drehzahlabfall nicht mehr vorhanden, d. h. die Zeit t_L ist kürzer als der letzte gemessene Zeitabstand t_s, so wird die Wertezahl bzw. der Winkel, über den die räumliche Mittelung erfolgt, wieder auf den alten Wert gesetzt. Die Kriterien dafür, ob t_L in die Berechnung mit einbezogen wird bzw. ob die Anzahl der aufaddierten Werte verringert wird, können parametrierbar sein.

Claims (10)

1. Verfahren zur Drehzahlmessung, insbesondere an bürstenlosen Gleichstrommotoren, bei welchem eine ganze Umdrehung eines Rotors kreissektorartig in mehrere Win­ kelschritte unterteilt wird, während der Drehung bei jedem Winkelschritt abwechselnd an einem von zwei oder mehreren zueinander in einem Winkelabstand angeordneten und als Binärsignalgeber wirkenden Sensoren eine Zustandsänderung herbeigeführt wird, die Zeitabstände jeder Zustandsänderung der Sensoren zur vorhergehenden Zustandsänderung und die jeweilige Drehrichtung des Rotors gemessen und die gemessenen Werte in zeitlicher Reihenfolge in einem Ringpuffer abgelegt werden, zur Errechnung der Drehzahl eine Folge der letzten Werte des Ringpuffers, deren Drehrichtung mit der aktuellen Drehrichtung übereinstimmt, aufaddiert wird, wobei die Berechnung der Drehzahl in einem von der Rotorlage unabhängigen Zyklus erfolgt und der Zeitabstand zwi­ schen der letzten Zustandsänderung eines Sensors und dem Zeitpunkt der Berechnung der Drehzahl gemessen und in die Berechnung der Drehzahl nur dann einbezogen wird, wenn dieser Zeitabstand um einen definierten ersten Betrag größer ist als der zuletzt im Ringpuffer gespeicherte Wert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der gespeicherten Werte, die zur Berechnung der Drehzahl herangezogen werden, verringert wird, wenn der Zeitabstand zwischen der letzten Zustandsänderung eines Sensors und dem Zeitpunkt der Berechnung der Drehzahl um einen definierten zweiten Betrag größer ist als der zuletzt im Ringpuffer gespeicherte Wert und der zweite Betrag größer ist als der erste Betrag.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Binärsignalen der Sensoren Bit-Zahlen hergeleitet werden, die den gemeinsamen Zustandsmöglichkeiten der Sensoren ent­ sprechen und die bei Vorwärts- und Rückwärtsdrehung des Rotors in unterschiedlicher, sich aber jeweils gleich­ bleibend wiederholender Reihenfolge feststellbar sind.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehrichtung bzw. das Vorzeichen der Drehzahl aus der Reihenfolge der durch die Werte der Bit-Zahlen beschriebenen Sensorzustände bestimmt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Ausbleiben einer Sensorzustandsänderung über eine bestimmte Zeitspanne eine Absenkung des Drehzahlwertes erfolgt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitabstand zwischen mehr als zwei Zustandsänderungen der Sensoren gemessen wird und mit jeder Zustandsänderung der Sensoren eine Zeitmessung über eine gleiche Anzahl von Zustandsände­ rungen beginnt.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer auf dem Rotor eines Motors drehfest angeordneten Signalscheibe (10), deren Stirnfläche kreissektorartig in eine gerade Anzahl von Signalfeldern (11, 12) unterteilt ist, die abwechselnd die zwei Zustände (0 und 1) eines Binär­ signals repräsentieren, mit zwei oder mehr auf die Signalfelder (11, 12) der Signalscheibe (10) anspre­ chende Sensoren (13), die gegenüber der Stirnfläche der Signalscheibe (10) und in einem solchen Win­ kelabstand zueinander angeordnet sind, daß sich bei gleichen Winkelschritten des Rotors jeweils eine Zustandsänderung eines Sensors (13) ergibt, mit einem Ringpuffer zur Speicherung der Zeitabstände jeder Zustandsänderung der Sensoren (13) zur vorhergehenden Zustandsänderung und der jeweiligen Drehrichtung des Rotors und mit einer der Anzahl der zu messenden Zeit­ abstände entsprechenden Anzahl von Zeitmessern oder Timern eines Reglers oder Controllers.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die kreissektorartige Unterteilung der Signal­ scheibe (10) und der Winkel (a), in dem die Sensoren (13) zueinander stehen, an die Polpaarzahl des Motors angepaßt sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalscheibe (10) in insgesamt vier gleich große Signalfelder (11, 12) unterteilt ist, wobei der Signalinhalt sich gegenüberliegender Signalfelder (11 bzw. 12) jeweils gleich ist und daß zwei Sensoren (13) in einem Winkelabstand von 45° oder 135° vorgesehen sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalscheibe (10) eine Permanentmagnetscheibe ist, die kreissektorartig abwechselnd in Nord- und Südpole unterteilt ist und daß die Sensoren (13) Hall-Sensoren sind.