DE102019101897A1

DE102019101897A1 - Method and device for determining the speed of a rotating rotor

Info

Publication number: DE102019101897A1
Application number: DE102019101897.8A
Authority: DE
Inventors: Robert KASTNER
Original assignee: MinebeaMitsumi Inc
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2019-01-25
Filing date: 2019-01-25
Publication date: 2020-07-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Drehzahlbestimmung eines drehenden Rotors eines Elektromotors mit folgenden Schritten: Bestimmen eines Stromsignals während eines Messzeitraums, wobei das Stromsignal einen Strom durch den Elektromotor charakterisiert; Vergleichen des Verlaufs des Stromsignals während des Messzeitraums mit einem zeitlich gemittelten Verlauf des Stromsignals; und Bestimmen der Drehzahl des Rotors anhand des Vergleichs zwischen dem Verlauf des Stromsignals während des Messzeitraums und dem zeitlich gemittelten Verlauf des Stromsignals.The invention relates to a method for determining the speed of a rotating rotor of an electric motor, comprising the following steps: determining a current signal during a measurement period, the current signal characterizing a current through the electric motor; Comparing the course of the current signal during the measurement period with a time-averaged course of the current signal; and determining the speed of the rotor on the basis of the comparison between the course of the current signal during the measurement period and the time-averaged course of the current signal.

Description

GEBIETAREA

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Drehzahlbestimmung eines drehenden Rotors eines Elektromotors und eine Vorrichtung mit einem Elektromotor und einem entsprechenden Drehzahlmesser.The invention relates to a method for determining the speed of a rotating rotor of an electric motor and a device with an electric motor and a corresponding tachometer.

HINTERGRUNDBACKGROUND

Gleichstrommotoren kommen aufgrund ihrer guten Regelbarkeit und ihres einfachen, kostengünstigen Aufbaus in zahllosen Bereichen als Antriebselemente zum Einsatz, beispielsweise als Servomotor zur Steuerung eines Stellglieds oder als Motor einer Pumpe. Zur Überwachung und Steuerung können solche Elektromotoren mit Sensoren wie beispielsweise Hall-Sensoren ausgestattet sein, um Motorparameter wie die Rotorstellung oder die Rotordrehzahl zu bestimmen. Für viele Anwendungen kommt der Einbau von Sensoren allerdings aus Kosten- oder Platzgründen sowie wegen der höheren Anfälligkeit nicht in Frage. In diesen Fällen kommen daher sensorlose Elektromotoren zum Einsatz, insbesondere mechanisch kommutierende Gleichstrommotoren, die sich aufgrund ihrer kompakten Bauweise und ihrer einfachen Ansteuerung für viele Anwendungen eignen.Because of their good controllability and their simple, inexpensive design, direct current motors are used in numerous areas as drive elements, for example as a servo motor for controlling an actuator or as a motor for a pump. For monitoring and control, such electric motors can be equipped with sensors such as Hall sensors in order to determine motor parameters such as the rotor position or the rotor speed. For many applications, however, the installation of sensors is out of the question for reasons of cost or space and because of the higher susceptibility. In these cases, sensorless electric motors are used, in particular mechanically commutating direct current motors, which are suitable for many applications due to their compact design and simple control.

Um die Drehzahl eines Motors zu bestimmen, ist man jedoch in der Regel auf Sensoren angewiesen, um die Stellung des Rotors zu ermitteln. Ohne Sensoren ist eine Bestimmung der Drehzahl nicht ohne weiteres möglich, da die Rotorstellung im Allgemeinen unbekannt ist. Daher kann beispielsweise die Drehzahl eines sensorlosen Motors nicht aktiv geregelt werden oder eine Blockade des Motors nicht erkannt werden.In order to determine the speed of a motor, however, sensors are generally required to determine the position of the rotor. Without sensors, the speed cannot be determined easily, since the rotor position is generally unknown. For example, the speed of a sensorless motor cannot be actively controlled or a blockage of the motor cannot be detected.

Bei einigen mechanisch kommutierenden Gleichstrommotoren kann die Stellung des Rotors allerdings anhand des Antriebsstroms des Motors bestimmt werden. Aufgrund von in bestimmten Rotorstellungen auftretenden Überbrückungen, die durch für die Kommutierung nötige Schleifkontakte hervorgerufen werden können, kann der Antriebsstrom kurze Stromspitzen aufweisen. Durch Messung des Antriebsstroms und Detektion der Strommaxima lassen sich somit Rückschlüsse auf die Stellung des Rotors ziehen. Eine solche Drehzahlbestimmung ist allerdings anfällig im Hinblick auf Fluktuationen des Antriebsstroms, da diese zu von der Rotorstellung unabhängigen Maxima im Antriebsstrom führen können. Darüber hinaus erfordert die Bestimmung der Maxima mit Hilfe eines Mikrocontrollers eine gewisse Rechenleistung, die mit einem entsprechenden Leistungsbedarf und Kosten für die Prozessoren einhergeht.With some mechanically commutating direct current motors, the position of the rotor can, however, be determined on the basis of the drive current of the motor. Due to bridging occurring in certain rotor positions, which can be caused by sliding contacts necessary for commutation, the drive current can have short current peaks. By measuring the drive current and detecting the current maxima, conclusions can be drawn about the position of the rotor. However, such a speed determination is susceptible to fluctuations in the drive current, since these can lead to maxima in the drive current that are independent of the rotor position. In addition, the determination of the maxima with the aid of a microcontroller requires a certain computing power, which is associated with a corresponding power requirement and costs for the processors.

ÜBERBLICKOVERVIEW

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Drehzahlbestimmung eines drehenden Rotors eines Elektromotors und eine Vorrichtung mit einem Elektromotor und einer entsprechenden Drehzahlmesser anzugeben, welche eine robuste sensorlose Drehzahlbestimmung mit einem geringem Leistungsbedarf ermöglichen.It is therefore an object of the invention to provide a method for determining the speed of a rotating rotor of an electric motor and a device with an electric motor and a corresponding tachometer, which enable robust sensorless speed determination with a low power requirement.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 12 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved according to the invention by a method and a device with the features of claims 1 and 12, respectively. Embodiments of the invention are specified in the dependent claims.

Es wird ein Verfahren zur Drehzahlbestimmung eines drehenden Rotors eines Elektromotors vorgesehen, welches folgende Schritte umfasst: (1) Bestimmen eines Stromsignals während eines Messzeitraums, wobei das Stromsignal einen Strom durch den Elektromotor charakterisiert; (2) Vergleichen des Verlaufs des Stromsignals während des Messzeitraums mit einem zeitlich gemittelten Verlauf des Stromsignals; und (3) Bestimmen der Drehzahl des Rotors anhand des Vergleichs zwischen dem Verlauf des Stromsignals während des Messzeitraums und dem zeitlich gemittelten Verlauf des Stromsignals. Die Nummerierung der Schritte dient ausschließlich der Klarheit und impliziert keinesfalls eine bestimmte Abfolge, in der die Schritte ausgeführt werden. Soweit technisch möglich, können Schritte vertauscht werden und das Verfahren und sämtliche weiteren Ausgestaltungen in einer beliebigen Abfolge ausgeführt werden. Insbesondere können Schritte ganz oder teilweise gleichzeitig ausgeführt werden.A method for determining the speed of a rotating rotor of an electric motor is provided, which comprises the following steps: (1) determining a current signal during a measurement period, the current signal characterizing a current through the electric motor; (2) comparing the course of the current signal during the measurement period with a time-averaged course of the current signal; and (3) determining the rotational speed of the rotor on the basis of the comparison between the profile of the current signal during the measurement period and the time-average profile of the current signal. The numbering of the steps is for clarity only and in no way implies a specific sequence in which the steps are carried out. As far as technically possible, steps can be interchanged and the method and all further refinements can be carried out in any sequence. In particular, steps can be carried out entirely or partially at the same time.

Das Stromsignal charakterisiert einen Strom durch den Elektromotor, beispielsweise einen Antriebsstrom, der durch eine oder mehrere Antriebsspulen des Elektromotors fließt, oder einen Strom zwischen zwei Lamellen eines mechanisch kommutierenden Gleichstrommotors. Das Stromsignal kann dabei dem Strom oder einer zu dem Strom direkt proportionalen Größe, zum Beispiel einer Spannung über einen bekannten Widerstand, exakt oder näherungsweise entsprechen und kann kontinuierlich über den gesamten Messzeitraum, intervallweise oder zu diskreten Zeitpunkten während des Messzeitraums bestimmt werden, beispielsweise durch Messung der entsprechenden Größe. Das Stromsignal kann ein analoges Signal, zum Beispiel eine Spannung, oder ein digitaler Wert sein, etwa ein mittels eines digitalen Strommessgerätes gemessener Wert.The current signal characterizes a current through the electric motor, for example a drive current that flows through one or more drive coils of the electric motor, or a current between two fins of a mechanically commutating DC motor. The current signal can correspond exactly or approximately to the current or a quantity that is directly proportional to the current, for example a voltage across a known resistor, and can be determined continuously over the entire measurement period, at intervals or at discrete times during the measurement period, for example by measurement the appropriate size. The current signal can be an analog signal, for example a voltage, or a digital value, for example a value measured by means of a digital current measuring device.

Der Messzeitraum kann ein fester vordefinierter Zeitraum sein, der bevorzugt an eine zu erwartende Drehzahl, beispielsweise eine Nenndrehzahl des Motors, angepasst ist. Die Nenndrehzahl kann dabei zum Beispiel eine Maximaldrehzahl, eine Minimaldrehzahl oder die Drehzahl, bei der der Motor die maximale Leistung abgibt, beschreiben. Alternativ kann der Messzeitraum dynamisch gewählt werden, zum Beispiel basierend auf einer zuvor bestimmten Drehzahl, falls das erfindungsgemäße Verfahren mehrfach durchgeführt wird. Für die Bestimmung des Messzeitraums kann zudem der Aufbau des Motors, etwa die Anzahl und Anordnung der Antriebsspulen und/oder Lamellen, berücksichtigt werden.The measurement period can be a fixed, predefined period, which is preferably adapted to an expected speed, for example a nominal speed of the motor. The nominal speed can be, for example, a maximum speed, a Describe the minimum speed or the speed at which the motor delivers the maximum power. Alternatively, the measurement period can be selected dynamically, for example based on a previously determined speed, if the method according to the invention is carried out several times. The structure of the motor, for example the number and arrangement of the drive coils and / or fins, can also be taken into account for determining the measurement period.

Anschließend wird der Verlauf des Stromsignals während des Messzeitraums mit einem zeitlich gemittelten Verlauf des Stromsignals verglichen. Der zeitlich gemittelte Verlauf kann beispielsweise ein Durchschnittswert des Stromsignals während des Messzeitraums oder während eines Intervalls innerhalb des Messzeitraums sein. Alternativ kann der zeitlich gemittelte Verlauf zum Beispiel ein gleitender Durchschnitt des Stromsignals oder ein intervallweise gebildeter Mittelwert sein, der gegebenenfalls inter- und/oder extrapoliert wird. Das zeitlich gemittelte Stromsignal kann ferner eine für den Differenzvergleich vorteilhafte Phasenverschiebung umfassen. Bei dem Vergleich des Verlaufs des Stromsignals mit dem zeitlich gemittelten Verlauf kann beispielsweise eine Differenz oder ein Verhältnis zwischen den beiden Verläufen oder ein Vorzeichen dieser Differenz bestimmt werden.The course of the current signal during the measurement period is then compared with a time-averaged course of the current signal. The time-averaged course can be, for example, an average value of the current signal during the measurement period or during an interval within the measurement period. Alternatively, the time-averaged course can be, for example, a moving average of the current signal or an average value formed at intervals, which is optionally interpolated and / or extrapolated. The time-averaged current signal can also include a phase shift that is advantageous for the difference comparison. When the course of the current signal is compared with the course averaged over time, a difference or a ratio between the two courses or a sign of this difference can be determined.

Ausgehend von dem Vergleich zwischen dem Verlauf des Stromsignals und dem zeitlich gemittelten Verlauf des Stromsignals wird die Drehzahl des Rotors bestimmt. Dies kann beispielsweise erfolgen, indem ermittelt wird, wie oft und/oder wie lange eine Vergleichsbedingung für den Verlauf des Stromsignals und den zeitlich gemittelten Verlauf des Stromsignals während des Messzeitraums erfüllt ist. Die Vergleichsbedingung kann zum Beispiel sein, dass das Stromsignal größer oder kleiner als das zeitlich gemittelte Stromsignal ist oder um mindestens einen vordefinierten Betrag oder Faktor größer oder kleiner als das zeitlich gemittelte Stromsignal ist. Aus einer solchen Information kann dann die Drehzahl des Rotors abgeleitet werden, wozu beispielsweise eine Kalibrierungsmessung und/oder ein Skalierungsfaktor herangezogen werden kann.The speed of the rotor is determined on the basis of the comparison between the course of the current signal and the time-averaged course of the current signal. This can be done, for example, by determining how often and / or how long a comparison condition for the course of the current signal and the time-averaged course of the current signal is fulfilled during the measurement period. The comparison condition can be, for example, that the current signal is larger or smaller than the time-averaged current signal or is at least a predefined amount or factor larger or smaller than the time-averaged current signal. The speed of the rotor can then be derived from such information, for which purpose, for example, a calibration measurement and / or a scaling factor can be used.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Bestimmung der Drehzahl ausgehend von einem Strom durch den Elektromotor. Da selbst bei einfachen Elektromotoren der Antriebsstrom häufig ohnehin gemessen wird, zum Beispiel für die Steuerung des Motors, oder mit geringem Aufwand gemessen werden kann, kann das erfindungsgemäße Verfahren ohne den Einbau weiterer Sensoren zur Positionsbestimmung des Rotors wie beispielsweise Hall-Sensoren implementiert werden. Gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Bestimmung der Rotorstellung ist das erfindungsgemäße Verfahren durch den Vergleich mit dem zeitlich gemittelten Verlauf des Stromsignals weniger anfällig für Fluktuationen des Stroms oder einer Strommessung, welche beispielsweise bei Verfahren, die auf einer Bestimmung der Maxima und/oder Minima des Stroms basieren, zu einer fehlerhaft bestimmten Drehzahl führen könnten. Desweitern bietet das Verfahren den Vorteil, dass eine damit geregelte elektrische Maschine, insbesondere ein damit geregelter Elektromotor, sich selbstadaptiv auf seinen Arbeitspunkt einstellen kann. Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Verfahren zum Beispiel wie im Folgenden beschrieben einfach und kostengünstig mit Hilfe analoger und/oder digitaler Signalverarbeitung ausgeführt werden.The method according to the invention enables the speed to be determined on the basis of a current through the electric motor. Since even with simple electric motors the drive current is often measured anyway, for example for controlling the motor, or can be measured with little effort, the method according to the invention can be implemented without the installation of further sensors for determining the position of the rotor, for example Hall sensors. Compared to methods known from the prior art for determining the rotor position, the method according to the invention is less susceptible to fluctuations in the current or a current measurement due to the comparison with the time-averaged course of the current signal, which fluctuations occur, for example, in methods based on a determination of the maxima and / or Minima of the current based, could lead to an incorrectly determined speed. The method also has the advantage that an electrical machine controlled with it, in particular an electric motor controlled with it, can adapt itself to its operating point in a self-adaptive manner. In addition, the method according to the invention can be carried out simply and inexpensively, for example as described below, with the aid of analog and / or digital signal processing.

In einem Beispiel kann für den Vergleich eine Anzahl von Intervallen innerhalb des Messzeitraums bestimmt werden, während derer das Stromsignal von dem zeitlich gemittelten Verlauf des Stromsignals in eine vordefinierte Richtung abweicht. Beispielsweise kann ermittelt werden, wie viele Intervalle es während des Messzeitraums gibt, in denen das Stromsignal größer als der zeitlich gemittelte Verlauf ist. Um die Anfälligkeit für Fluktuationen zu verringern, kann darüber hinaus eine Mindestlänge für die Intervalle und/oder eine Mindestabweichung von dem zeitlich gemittelten Verlauf festgelegt werden.In one example, a number of intervals can be determined for the comparison within the measurement period during which the current signal deviates from the time-averaged course of the current signal in a predefined direction. For example, it can be determined how many intervals there are during the measurement period in which the current signal is greater than the time-averaged course. In order to reduce the susceptibility to fluctuations, a minimum length for the intervals and / or a minimum deviation from the time-averaged course can also be specified.

Aus der Anzahl der Intervalle kann eine Frequenz der Intervalle berechnet werden, die beispielsweise dem Verhältnis aus der Anzahl der Intervalle innerhalb des Messzeitraums und der Länge des Messzeitraums entspricht. Alternativ kann für die Berechnung der Frequenz der Intervalle zum Beispiel der Zeitraum zwischen dem Beginn des in der zeitlichen Abfolge ersten Intervalls und dem Ende des Messzeitraums oder dem Ende des in der zeitlichen Abfolge letzten Intervalls herangezogen werden.A frequency of the intervals can be calculated from the number of intervals, which corresponds, for example, to the ratio of the number of intervals within the measurement period and the length of the measurement period. Alternatively, for the calculation of the frequency of the intervals, for example, the period between the start of the first interval in the chronological order and the end of the measurement period or the end of the last interval in the chronological order can be used.

Die Drehzahl des Rotors kann aus der Frequenz der Intervalle abgeleitet werden, beispielsweise mithilfe einer funktionalen Abhängigkeit zwischen der Frequenz der Intervalle und der Drehzahl, die durch eine zuvor durchgeführte entsprechende Kalibrierungsmessung ermittelt werden kann. Alternativ kann eine solche funktionale Abhängigkeit aus einem physikalischen Modell des Motors abgeleitet werden, anhand dessen ein zu erwartender Stromverlauf vorhergesagt werden kann. Das physikalische Modell kann beispielsweise in den Antriebsspulen induzierte Spannungen und/oder durch eine mechanische oder elektrische Kommutierung hervorgerufene Stromspitzen und/oder Stromeinbrüche berücksichtigen. In einem Beispiel kann aus einer Zahl von Kommutierungsschritten innerhalb einer Umdrehung eines Rotors eines kommutierenden Elektromotors ein Skalierungsfaktor für die Umrechnung der Frequenz der Intervalle in die Drehzahl des Rotors bestimmt werden.The speed of the rotor can be derived from the frequency of the intervals, for example with the aid of a functional dependency between the frequency of the intervals and the speed, which can be determined by a corresponding calibration measurement carried out beforehand. Alternatively, such a functional dependency can be derived from a physical model of the motor, based on which an expected current profile can be predicted. The physical model can take into account, for example, voltages induced in the drive coils and / or current peaks and / or current dips caused by mechanical or electrical commutation. In one example, a scaling factor for converting the frequency of the intervals into the rotational speed of the rotor can be determined from a number of commutation steps within one revolution of a rotor of a commutating electric motor.

In einer bevorzugten Ausführung kann das erfindungsgemäße Verfahren zusätzlich das Ermitteln des zeitlich gemittelten Verlaufs des Stromsignals umfassen, indem das Stromsignal mit einem ersten Tiefpassfilter gefiltert wird. Der erste Tiefpassfilter kann eine erste Grenzfrequenz aufweisen, die kleiner als eine charakteristische Frequenz ist, welche eine Nenndrehzahl des Elektromotors charakterisiert. Die erste Grenzfrequenz beschreibt eine Frequenz, oberhalb derer der erste Tiefpassfilter die Anteile des Stromsignals blockiert, und kann beispielsweise als diejenige Frequenz definiert sein, bei der der erste Tiefpassfilter ein eingehendes Signal um drei Dezibel (dB) abschwächt. Die Nenndrehzahl des Elektromotors kann dabei wie oben beschrieben zum Beispiel einer Minimaldrehzahl oder der Drehzahl, bei der der Motor die maximale Leistung abgibt, entsprechen. Die charakteristische Frequenz kann mit der Nenndrehzahl über einen von der Motorgeometrie abhängigen Skalierungsfaktor verknüpft sein, der beispielsweise der Anzahl der Kommutierungen während einer Umdrehung des Rotors entsprechen kann. Die erste Grenzfrequenz kann deutlich kleiner als die charakteristische Frequenz sein, zum Beispiel kleiner als die Hälfte der charakteristischen Frequenz. In einem Beispiel kann die Nenndrehzahl 10000 Umdrehungen pro Minute betragen, d. h. einer Frequenz von ca. 167 Hz entsprechen, die charakteristische Frequenz kann das Zehnfache der Nenndrehzahl, d. h. 1670 Hz, betragen und die erste Grenzfrequenz bei 500 Hz liegen. In a preferred embodiment, the method according to the invention can additionally include determining the time-averaged profile of the current signal by filtering the current signal with a first low-pass filter. The first low-pass filter can have a first cut-off frequency that is lower than a characteristic frequency that characterizes a nominal speed of the electric motor. The first cutoff frequency describes a frequency above which the first low-pass filter blocks the components of the current signal, and can be defined, for example, as the frequency at which the first low-pass filter attenuates an incoming signal by three decibels (dB). As described above, the nominal speed of the electric motor can correspond, for example, to a minimum speed or the speed at which the motor delivers the maximum power. The characteristic frequency can be linked to the nominal speed via a scaling factor which is dependent on the motor geometry and which can correspond, for example, to the number of commutations during one revolution of the rotor. The first cut-off frequency can be significantly less than the characteristic frequency, for example less than half of the characteristic frequency. In one example, the nominal speed can be 10,000 revolutions per minute, ie correspond to a frequency of approximately 167 Hz, the characteristic frequency can be ten times the nominal speed, ie 1670 Hz, and the first limit frequency can be 500 Hz.

Ist das Stromsignal beispielsweise eine Spannung, kann der erste Tiefpassfilter mittels einer analogen Tiefpassschaltung realisiert werden. Ist das Stromsignal hingegen ein digitaler Wert, kann das Filtern durch Gewichtung der Fourierkomponenten des Stromsignals mit einer geeigneten Transferfunktion erfolgen. Insbesondere können den Fourierkomponenten entsprechende Filterkoeffizienten der digitalen Filter gebildet werden. Das Stromsignal kann dann den digitalen Filtern zugeführt werden und entsprechend gefiltert werden.If the current signal is a voltage, for example, the first low-pass filter can be implemented using an analog low-pass circuit. If, on the other hand, the current signal is a digital value, the filtering can be carried out by weighting the Fourier components of the current signal using a suitable transfer function. In particular, filter coefficients of the digital filters corresponding to the Fourier components can be formed. The current signal can then be fed to the digital filters and filtered accordingly.

Das Bestimmen des Stromsignals kann ferner das Herausfiltern eines konstanten Offsets, beziehungsweise eines niederfrequenten Anteils oder eines Gleichstromanteils des Stromsignals, aus dem Stromsignal umfassen, wobei diejenigen Anteile des Stromsignals als konstanter Offset aufgefasst werden, die während des Messzeitraums kaum variieren, d. h. beispielsweise Fourierkomponenten mit Frequenzen unterhalb des Inversen des Messzeitraums. Das Herausfiltern des konstanten Offsets kann zum Beispiel durch Filtern des Stromsignals mit einem Hochpassfilter erfolgen, der eine Grenzfrequenz aufweist, die kleiner oder gleich dem Inversen des Messzeitraums ist. Hierbei beschreibt die Grenzfrequenz des Hochpassfilters in Analogie zum ersten Tiefpassfilter diejenige Frequenz, unterhalb derer der Hochpassfilter die Anteile des Stromsignals unterdrückt.The determination of the current signal can further include filtering out a constant offset, or a low-frequency component or a DC component of the current signal, from the current signal, those components of the current signal which are hardly varied during the measurement period, i.e. H. for example Fourier components with frequencies below the inverse of the measurement period. The constant offset can be filtered out, for example, by filtering the current signal with a high-pass filter that has a cutoff frequency that is less than or equal to the inverse of the measurement period. The cut-off frequency of the high-pass filter describes the frequency below which the high-pass filter suppresses the components of the current signal in analogy to the first low-pass filter.

Darüber hinaus kann zur Bestimmung des Stromsignals ein vordefinierter Offset zum Stromsignal addiert werden. Der vordefinierte Offset kann beispielsweise so gewählt werden, dass das Stromsignal nach Addieren des vordefinierter Offsets im Durchschnitt dem Arbeitspunkt eines Operationsverstärker oder einer Operationsverstärkerschaltung entspricht. Alternativ kann der vordefinierte Offset so gewählt werden, dass das Stromsignal während des gesamten Messzeitraums positiv ist. In einem Beispiel kann das Stromsignal vor Addieren des vordefinierten Offsets zusätzlich um einen vordefinierten Verstärkungsfaktor verstärkt werden.In addition, a predefined offset can be added to the current signal to determine the current signal. The predefined offset can be selected, for example, such that the average of the current signal after adding the predefined offset corresponds to the operating point of an operational amplifier or an operational amplifier circuit. Alternatively, the predefined offset can be selected so that the current signal is positive during the entire measurement period. In one example, the current signal can additionally be amplified by a predefined gain factor before adding the predefined offset.

Das Bestimmen des Stromsignals kann zusätzlich das Glätten des Stromsignals umfassen, zum Beispiel durch einen zweiten Tiefpassfilter mit einer zweiten Grenzfrequenz und/oder durch Kompensation einer Pulsweitenmodulation eines Antriebssignals des Elektromotors. Die zweite Grenzfrequenz kann zum Beispiel größer oder gleich der charakteristischen Frequenz sein, etwa um hochfrequente Fluktuationen des Stromsignals zu unterdrücken, die im Allgemeinen von der Rotorstellung und Rotordrehzahl unabhängig sind. Bei der Pulsweitenmodulation eines Antriebsignals kann eine Versorgungsspannung periodisch mit einer Pulsweitenmodulationsfrequenz (PWM-Frequenz) zugeführt werden, was zu einer entsprechenden periodischen Unterbrechung des Antriebsstroms führt. Um eine Beeinflussung der Drehzahlbestimmung durch die Pulsweitenmodulation zu verhindern, kann die Pulsweitenmodulation bei der Bestimmung des Stromsignals ganz oder teilweise kompensiert werden, beispielsweise indem das Stromsignal bei Unterbrechung des Stroms aufrechterhalten wird. Hierzu kann das Stromsignal während der Unterbrechung zum Beispiel näherungsweise auf dem letzten Wert vor Beginn der Unterbrechung gehalten werden, zum Beispiel mithilfe eines Kondensators mit geeigneter Kapazität. Zusätzlich kann die zweite Grenzfrequenz so gewählt werden, dass sie kleiner als die PWM-Frequenz ist, um eine weitere Unterdrückung von Schwankungen des Stromsignals, die durch die Pulsweitenmodulation verursacht werden, zu erreichen. In einem Beispiel kann die PWM-Frequenz 20 kHz betragen, die charakteristische Frequenz 1670 Hz und die zweite Grenzfrequenz 2 kHz.The determination of the current signal can additionally include smoothing the current signal, for example by means of a second low-pass filter with a second cutoff frequency and / or by compensating for pulse width modulation of a drive signal of the electric motor. The second cut-off frequency can, for example, be greater than or equal to the characteristic frequency, for example in order to suppress high-frequency fluctuations in the current signal, which are generally independent of the rotor position and rotor speed. In the pulse width modulation of a drive signal, a supply voltage can be supplied periodically with a pulse width modulation frequency (PWM frequency), which leads to a corresponding periodic interruption of the drive current. In order to prevent the speed determination from being influenced by the pulse width modulation, the pulse width modulation can be compensated in whole or in part when determining the current signal, for example by maintaining the current signal when the current is interrupted. For this purpose, the current signal during the interruption can, for example, be kept approximately at the last value before the interruption began, for example using a capacitor with a suitable capacitance. In addition, the second cut-off frequency can be selected so that it is lower than the PWM frequency in order to achieve further suppression of fluctuations in the current signal which are caused by the pulse width modulation. In one example, the PWM frequency can be 20 kHz, the characteristic frequency 1670 Hz and the second cut-off frequency 2 kHz.

In einer bevorzugten Ausführung kann eine Anzahl von Intervallen innerhalb des Messzeitraums bestimmt werden, in denen das Stromsignal von dem zeitlich gemittelten Verlauf des Stromsignals in eine vordefinierte Richtung und um mehr als eine vordefinierte Schwankungsbreite abweicht. Somit kann der Einfluss von kleinen Fluktuationen des Stromsignals auf die ermittelte Drehzahl verringert werden. Die vordefinierte Schwankungsbreite kann beispielsweise an üblicherweise auftretende, von der Drehzahl unabhängige Fluktuationen des Stromsignals angepasst sein, die etwa durch Schwankungen einer Versorgungsspannung, eine Messungenauigkeit und/oder bei der Bestimmung des Stromsignals erzeugtes Rauschen hervorgerufen werden können.In a preferred embodiment, a number of intervals can be determined within the measurement period in which the current signal deviates from the time-averaged course of the current signal in a predefined direction and by more than a predefined fluctuation range. The influence of small fluctuations in the current signal on the determined speed can thus be reduced. The predefined fluctuation range can, for example, be adapted to fluctuations in the current signal which occur independently of the rotational speed and which can be caused, for example, by fluctuations in a supply voltage, measurement inaccuracy and / or noise generated during the determination of the current signal.

Wie bereits erwähnt kann der Strom durch den Elektromotor insbesondere ein Antriebsstrom sein, der durch eine oder mehrere Antriebsspulen fließt und dem Antrieb des Rotors dient. Der Antriebsstrom kann beispielsweise zwischen zwei Versorgungsanschlüssen des Elektromotors fließen, zwischen denen eine Versorgungsspannung angelegt wird. In einem anderen Beispiel kann der Antriebsstrom der Strom zwischen zwei Anschlusskontakten einer Antriebsspule sein.As already mentioned, the current through the electric motor can in particular be a drive current that flows through one or more drive coils and serves to drive the rotor. The drive current can flow, for example, between two supply connections of the electric motor, between which a supply voltage is applied. In another example, the drive current can be the current between two connection contacts of a drive coil.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann darüber hinaus das Regeln eines Antriebsignals des Elektromotors abhängig von der ermittelten Drehzahl und einer Solldrehzahl umfassen. Insbesondere kann das Antriebsignal so angepasst werden, dass die Drehzahl des Rotors auf die Solldrehzahl geregelt wird, d. h der Rotor kann beschleunigt werden, wenn die ermittelte Drehzahl unterhalb der Solldrehzahl liegt, und kann verlangsamt werden, wenn die ermittelte Drehzahl oberhalb der Solldrehzahl liegt. Hierzu kann die Drehzahlbestimmung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wiederholt durchgeführt werden und die ermittelten Drehzahlen für eine aktive Feedback-Regelung des Antriebssignals herangezogen werden. Die Anpassung des Antriebsignals kann beispielsweise über eine Änderung des Tastverhältnisses einer Pulsweitenmodulation des Antriebsignals erfolgen, wobei das Tastverhältnis das Verhältnis zwischen der Zeit, in der die Versorgungsspannung innerhalb einer Periode des Pulsweitenmodulation anliegt, und der Periodendauer der Pulsweitenmodulation ist.The method according to the invention can also include regulating a drive signal of the electric motor as a function of the determined speed and a target speed. In particular, the drive signal can be adapted so that the speed of the rotor is regulated to the target speed, i. h The rotor can be accelerated if the determined speed is below the target speed and can be slowed down if the determined speed is above the target speed. For this purpose, the speed determination can be carried out repeatedly using the method according to the invention and the determined speeds can be used for active feedback control of the drive signal. The drive signal can be adapted, for example, by changing the pulse duty factor of a pulse width modulation of the drive signal, the pulse duty factor being the ratio between the time during which the supply voltage is present within a period of pulse width modulation and the period of the pulse width modulation.

Zudem kann ein Antriebsignals eines zweiten Elektromotors abhängig von der ermittelten Drehzahl geregelt werden. Beispielsweise kann das Antriebsignal des zweiten Elektromotors unterbrochen werden, wenn die ermittelte Drehzahl um mehr als eine vordefinierte Drehzahl von der Solldrehzahl abweicht oder wenn die ermittelte Drehzahl unter einen vordefinierten Schwellenwert fällt. In einem Beispiel treibt der erste Elektromotor eine Pumpe an und der zweite Elektromotor steuert ein Ventil, das eine von der Pumpe erzeugte Strömung auf mehrere Ausgänge verteilt. Unterschreitet die Drehzahl des ersten Elektromotors den vordefinierten Schwellenwert, kann das Antriebsignal des zweiten Elektromotors beispielsweise so angepasst werden, dass das Ventil alle Ausgänge schließt. Ferner kann ein Defekt oder eine Blockade eines Zu- oder Abflusses bei einer Pumpenanwendung erkannt und anschließend eine Fehlerroutine ausgeführt werden. Löst sich beispielsweise ein Zu- oder Abflussschlauch einer Pumpe, wird die gemessene Drehzahl größer als eine erwartete Drehzahl oder ändert die Drehzahl ändert sich abrupt. Nach dem Erkennen der Fehlfunktion kann die Pumpe beispielsweise ausgeschaltet und/oder ein Ventil geschlossen oder eine andere Fehlerroutine ausgeführt werden. Im Falle eines verstopften Zu- oder Abflusses kann beispielsweise ein Stoppen des Elektromotors und/oder das Ausgeben einer Fehlermeldung vorgesehen sein. Die Fehlermeldung kann von einer Steuereinrichtung beispielsweise über einen Feldbus an eine zentrale Feldbus-Steuereinheit ausgegeben werden. Im Automobilbereich kann der Feldbus insbesondere ein LIN(Local Interconnect Network)-Bus oder eine CAN(Controller Area Network)-Bus sein.In addition, a drive signal of a second electric motor can be regulated depending on the determined speed. For example, the drive signal of the second electric motor can be interrupted if the determined speed deviates from the target speed by more than a predefined speed or if the determined speed falls below a predefined threshold value. In one example, the first electric motor drives a pump and the second electric motor controls a valve that distributes a flow generated by the pump to several outlets. If the speed of the first electric motor falls below the predefined threshold value, the drive signal of the second electric motor can be adapted, for example, so that the valve closes all outputs. Furthermore, a defect or blockage of an inflow or outflow in a pump application can be recognized and an error routine can then be executed. If, for example, an inflow or outflow hose of a pump comes loose, the measured speed becomes greater than an expected speed or the speed changes abruptly. After the malfunction has been identified, the pump can, for example, be switched off and / or a valve can be closed or another fault routine can be executed. In the event of a blocked inflow or outflow, for example, stopping the electric motor and / or outputting an error message can be provided. The error message can be output by a control device, for example via a fieldbus, to a central fieldbus control unit. In the automotive field, the fieldbus can be, in particular, a LIN (Local Interconnect Network) bus or a CAN (Controller Area Network) bus.

Die Erfindung umfasst weiterhin eine Vorrichtung mit einer Steuereinheit und einem Elektromotor, wobei der Elektromotor einen Rotor umfasst. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit einen Drehzahlmesser umfasst, der dazu eingerichtet ist, dass erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung einer Drehzahl des Rotors auszuführen. Die Steuereinheit kann dazu eingerichtet sein, ein oder mehrere Antriebsignale für den Elektromotor auszugeben und diese zu steuern, beispielsweise in Form einer pulsweitenmodulierten Versorgungsspannung. Hierzu kann die Steuereinheit eine Spannungsversorgung ansteuern. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Drehzahlmesser zum Beispiel einen entsprechend programmierten Mikrocontroller und/oder eine geeignete Schaltung zur analogen und/oder digitalen Signalverarbeitung aufweisen. Ferner kann die Steuereinheit auch außerhalb des Elektromotors untergebracht sein. Sie muss also nicht im Elektromotor integriert sein, sondern kann auch in einer anderen elektronischen Komponente, beispielsweise in einer externen Motorsteuerung, integriert sein.The invention further comprises a device with a control unit and an electric motor, the electric motor comprising a rotor. The device according to the invention is characterized in that the control unit comprises a tachometer which is set up to carry out the method according to the invention for determining a speed of the rotor. The control unit can be set up to output one or more drive signals for the electric motor and to control them, for example in the form of a pulse-width-modulated supply voltage. For this purpose, the control unit can control a voltage supply. To carry out the method according to the invention, the tachometer can have, for example, a suitably programmed microcontroller and / or a suitable circuit for analog and / or digital signal processing. Furthermore, the control unit can also be accommodated outside the electric motor. It does not have to be integrated in the electric motor, but can also be integrated in another electronic component, for example in an external motor control.

Der Rotor kann eine oder mehrere Antriebsspulen umfassen, die über Schleifkontakte mit der Spannungsversorgung verbunden sein können. Die Schleifkontakte können dazu eingerichtet sein, ein von der Versorgungsspannung bereitgestelltes Antriebsignal abhängig von der Rotorstellung mechanisch zu kommutieren. Hierzu kann ein Schleifkontakt beispielsweise eine Kohlebürste, zum Beispiel aus Graphit und/oder Metall, umfassen, welche abhängig von der Rotorstellung mit einer oder mehreren Lamellen des Rotors in Kontakt stehen kann, wobei die Lamellen wiederum mit einer oder mehreren Antriebsspulen verbunden sein können. In einem anderen Beispiel umfasst der Elektromotor zusätzlich einen Stator, welcher die Antriebsspulen enthält, und die Steuereinheit kann dazu eingerichtet sein, ein von der Versorgungsspannung bereitgestelltes Antriebsignal elektrisch zu kommutieren.The rotor can comprise one or more drive coils, which can be connected to the voltage supply via sliding contacts. The sliding contacts can be set up to mechanically commutate a drive signal provided by the supply voltage depending on the rotor position. For this purpose, a sliding contact can comprise, for example, a carbon brush, for example made of graphite and / or metal, which, depending on the rotor position, can be in contact with one or more fins of the rotor, the fins in turn being connected to one or more drive coils. In another example, the electric motor additionally comprises a stator, which contains the drive coils, and the control unit can be set up to use one of the to commutate the drive signal provided electrically.

Der Drehzahlmesser kann eine Komparatorschaltung umfassen, welche dazu eingerichtet ist, das Stromsignal mit einem zeitlich gemittelten Stromsignal zu vergleichen und ein auf dem Vergleich basierendes Komparatorsignal auszugeben. Hierzu kann die Komparatorschaltung einen Differenzverstärker umfassen. Das Komparatorsignal kann beispielsweise proportional zur Differenz zwischen dem Stromsignal und dem zeitlich gemittelten Stromsignal sein. In einem anderen Beispiel kann das Komparatorsignal ein binäres Signal mit zwei möglichen Werten sein, wobei ein erster Ausgabewert ausgegeben wird, wenn das Stromsignal größer als das zeitlich gemittelte Stromsignal ist, und ein zweiter Ausgabewert ausgegeben wird, wenn das Stromsignal kleiner als das zeitlich gemittelte Stromsignal ist.The tachometer can comprise a comparator circuit, which is set up to compare the current signal with a time-averaged current signal and to output a comparator signal based on the comparison. For this purpose, the comparator circuit can comprise a differential amplifier. The comparator signal can, for example, be proportional to the difference between the current signal and the time-averaged current signal. In another example, the comparator signal can be a binary signal with two possible values, a first output value being output if the current signal is greater than the time-averaged current signal and a second output value output if the current signal is less than the time-averaged current signal is.

Die Komparatorschaltung kann eine Schalthysterese aufweisen. Beispielsweise kann ein Übergang des Komparatorsignals von dem ersten Ausgabewert auf den zweiten Ausgabewert erst erfolgen, wenn die Differenz zwischen dem Stromsignal und dem zeitlich gemittelten Stromsignal unter eine untere Schaltschwelle fällt. Umgekehrt kann ein Übergang von dem zweiten Ausgabewert auf den ersten Ausgabewert erst erfolgen, wenn die Differenz eine obere Schaltschwelle übersteigt. Hierzu kann die Komparatorschaltung beispielsweise einen Schmitt-Trigger umfassen. Die Differenz zwischen der oberen und der unteren Schaltschwelle kann der oben eingeführten Schwankungsbreite entsprechen. In einem anderen Beispiel kann das Komparatorsignal erst dann auf einen Ausgabewert springen, wenn die damit verknüpfte Bedingung für eine gewisse Zeit erfüllt ist, beispielsweise wenn das Stromsignal für eine gewisse Zeit größer als das zeitlich gemittelte Stromsignal ist.The comparator circuit can have a switching hysteresis. For example, the comparator signal can only transition from the first output value to the second output value when the difference between the current signal and the time-averaged current signal falls below a lower switching threshold. Conversely, a transition from the second output value to the first output value can only take place when the difference exceeds an upper switching threshold. For this purpose, the comparator circuit can comprise, for example, a Schmitt trigger. The difference between the upper and lower switching threshold can correspond to the fluctuation range introduced above. In another example, the comparator signal can only jump to an output value if the associated condition has been fulfilled for a certain time, for example if the current signal is larger than the time-averaged current signal for a certain time.

Der Mikrocontroller kann dazu eingerichtet sein, aus dem Komparatorsignal die Anzahl von Intervallen zu bestimmen, innerhalb derer das Stromsignal von dem zeitlich gemittelten Verlauf des Stromsignals in die vordefinierte Richtung abweicht. Der Mikrocontroller kann beispielsweise zählen, wie oft das Komparatorsignal während des Messzeitraums zwischen dem ersten Ausgabewert auf den zweiten Ausgabewert springt. In einem anderen Beispiel kann das Komparatorsignal proportional zur Differenz zwischen dem Stromsignal und dem zeitlich gemittelten Stromsignal sein und der Mikrocontroller dazu eingerichtet sein, dass Vorzeichen des Komparatorsignals zu bestimmen und daraus die Anzahl der Vorzeichenwechsel zu ermitteln. In einem anderen Beispiel kann der Mikrocontroller dazu eingerichtet sein, eine Fourier-Transformation des Komaparatorsignals durchzuführen, um die Anzahl der Intervalle zu bestimmen. In manchen Ausgestaltungen ist der Mikrocontroller dazu eingerichtet, ein analoges Stromsignal in ein digitales Signal zu wandeln. Beispielsweise kann der Mikrocontroller einen Analog-Digital-Wandler umfassen. Die Komparatorschaltung kann in solchen Ausgestaltungen in einem Computerprogramm des Mikrocontrollers modelliert sein. Beispielsweise kann ein den Fourierkomponenten entsprechender Digitalfilter vorgesehen sein, welchem das digitalisierte Stromsignal zugeführt wird.The microcontroller can be set up to determine from the comparator signal the number of intervals within which the current signal deviates from the time-averaged course of the current signal in the predefined direction. For example, the microcontroller can count how often the comparator signal jumps between the first output value and the second output value during the measurement period. In another example, the comparator signal can be proportional to the difference between the current signal and the time-averaged current signal and the microcontroller can be set up to determine the sign of the comparator signal and to determine the number of sign changes therefrom. In another example, the microcontroller can be set up to perform a Fourier transformation of the comparator signal in order to determine the number of intervals. In some configurations, the microcontroller is set up to convert an analog current signal into a digital signal. For example, the microcontroller can include an analog-to-digital converter. In such configurations, the comparator circuit can be modeled in a computer program of the microcontroller. For example, a digital filter corresponding to the Fourier components can be provided, to which the digitized current signal is fed.

Der Drehzahlmesser kann eine Tiefpassschaltung umfassen, die den ersten Tiefpassfilter enthält und dazu eingerichtet ist, aus dem Stromsignal das zeitlich gemittelte Stromsignal zu erzeugen, wobei das zeitlich gemittelte Stromsignal den zeitlich gemittelten Verlauf des Stromsignals charakterisiert. Das zeitlich gemittelte Stromsignal kann zusätzlich auch eine Phasenverschiebung aufweisen. Der erste Tiefpassfilter kann beispielsweise ein analoger Tiefpassfilter erster Ordnung mit einem RC-Glied aus einem Widerstand und einem Kondensator sein, wobei der elektrische Widerstand und die Kapazität des Kondensators so gewählt sein können, dass die Grenzfrequenz des ersten Tiefpassfilters der ersten Grenzfrequenz entspricht. Alternativ kann der erste Tiefpassfilter zum Beispiel ein analoger Tiefpassfilter zweiter Ordnung, ein Bessel-Filter, ein Butterworth-Filter oder ein Tschebyscheff-Filter sein. Der erste Tiefpassfilter kann ein digitaler Tiefpassfilter sein, der dazu eingerichtet ist, dass Stromsignal durch digitale Signalverarbeitung zu filtern. Der erste Tiefpassfilter kann mehrere in Reihe geschaltete Tiefpassfilter umfassen, beispielsweise zwei aufeinander folgende Bessel- Filter.The tachometer can comprise a low-pass circuit which contains the first low-pass filter and is set up to generate the time-averaged current signal from the current signal, the time-averaged current signal characterizing the time-averaged course of the current signal. The time-averaged current signal can also have a phase shift. The first low-pass filter can be, for example, an analog first-order low-pass filter with an RC element made up of a resistor and a capacitor, the electrical resistance and the capacitance of the capacitor being able to be selected such that the cutoff frequency of the first lowpass filter corresponds to the first cutoff frequency. Alternatively, the first low-pass filter can be, for example, a second-order analog low-pass filter, a Bessel filter, a Butterworth filter or a Chebyshev filter. The first low-pass filter can be a digital low-pass filter that is set up to filter the current signal by digital signal processing. The first low-pass filter can comprise a plurality of low-pass filters connected in series, for example two successive Bessel filters.

Darüber hinaus kann der Drehzahlmesser eine Hochpassschaltung umfassen, die dazu eingerichtet ist, einen niederfrequenten Anteil oder einen Gleichstromanteil aus dem Stromsignal herauszufiltern. Die Hochpassschaltung kann einen Hochpassfilter, beispielsweise einen analogen Hochpassfilter erster oder zweiter Ordnung oder einen digitalen Hochpassfilter, umfassen. Der Hochpassfilter kann beispielsweise eine Grenzfrequenz aufweisen, die kleiner als das Inverse des Messzeitraums ist.In addition, the tachometer can comprise a high-pass circuit that is set up to filter out a low-frequency component or a DC component from the current signal. The high-pass circuit can comprise a high-pass filter, for example an analog high-pass filter of the first or second order or a digital high-pass filter. The high-pass filter can, for example, have a cutoff frequency that is smaller than the inverse of the measurement period.

Der Drehzahlmesser kann ferner eine Spannungsteilerschaltung umfassen, die dazu eingerichtet ist, einen vordefinierten Offset zu dem Stromsignal zu addieren. Die Spannungsteilerschaltung kann beispielsweise zwei in Reihe geschaltete Widerstände umfassen, an die eine Spannung angelegt werden kann, wobei das Stromsignal zwischen den beiden Widerständen eingespeist werden kann, um einen durch die Werte der Widerstände bestimmten Spannungswert zu dem Stromsignal zu addieren. Die Spannungsteilerschaltung kann insbesondere mit der Hochpassschaltung zu einer Schaltung zusammengefasst sein, beispielsweise indem wenigstens einer der beiden Widerstände der Spannungsteilerschaltung zugleich zu einem Widerstand eines Hochpassfilters beiträgt.The tachometer may further include a voltage divider circuit configured to add a predefined offset to the current signal. The voltage divider circuit can, for example, comprise two resistors connected in series, to which a voltage can be applied, wherein the current signal can be fed between the two resistors in order to add a voltage value determined by the values of the resistors to the current signal. The voltage divider circuit can in particular be combined with the high-pass circuit to form a circuit, for example by at least one of the two resistors Voltage divider circuit also contributes to the resistance of a high pass filter.

Der Drehzahlmesser kann außerdem eine Glättungsschaltung umfassen, die dazu eingerichtet ist, das Stromsignal zu glätten. Die Glättungsschaltung kann einen zweiten Tiefpassfilter und/oder eine Kompensationsschaltung umfassen, wobei die Kompensationsschaltung einen Kondensator und eine Diode enthalten kann und dazu eingerichtet sein kann, die Pulsweitenmodulation des Stromsignals zu kompensieren. Die Kapazität des Kondensators kann so gewählt sein, dass das Ausgangssignal der Kompensationsschaltung bei Unterbrechung des eingehenden Stromsignals für mindestens eine Periode der Pulsweitenmodulation aufrechterhalten werden kann, beispielsweise indem das Ausgangssignal mit einer Zeitkonstante abfällt, die mindestens dem Fünffachen der Periode der Pulsweitenmodulation entspricht. Der zweite Tiefpassfilter kann wie oben beschrieben ausgestaltet sein und eine Grenzfrequenz aufweisen, die der zweiten Grenzfrequenz entspricht. Der zweite Tiefpassfilter kann insbesondere so ausgelegt sein, dass er bei der PWM-Frequenz eine Unterdrückung von mehr als 30 dB aufweist. Insbesondere kann der zweite Tiefpassfilter mehrere in Reihe geschaltete Tiefpassfilter umfassen, beispielsweise zwei aufeinander folgende Bessel-Filter.The tachometer may also include a smoothing circuit configured to smooth the current signal. The smoothing circuit can comprise a second low-pass filter and / or a compensation circuit, wherein the compensation circuit can contain a capacitor and a diode and can be set up to compensate for the pulse width modulation of the current signal. The capacitance of the capacitor can be selected such that the output signal of the compensation circuit can be maintained for at least one period of the pulse width modulation when the incoming current signal is interrupted, for example by the output signal falling with a time constant that corresponds to at least five times the period of the pulse width modulation. The second low-pass filter can be configured as described above and have a cutoff frequency that corresponds to the second cutoff frequency. The second low-pass filter can in particular be designed such that it has a suppression of more than 30 dB at the PWM frequency. In particular, the second low-pass filter can comprise a plurality of low-pass filters connected in series, for example two successive Bessel filters.

Die Vorrichtung kann zusätzlich einen Shunt-Widerstand in einer Antriebsstromleitung umfassen, beispielsweise in einer Antriebsstromleitung zwischen einem Ausgang der Spannungsversorgung und einem ersten Schleifkontakt oder in einer Antriebsstromleitung zwischen einem zweiten Schleifkontakt und einem Erdungskontakt. Der Drehzahlmesser kann dazu eingerichtet sein, dass Stromsignal aus dem Antriebsstrom über den Shunt-Widerstand zu bestimmen. Beispielweise kann das Stromsignal der über den Shunt-Widerstand abfallenden Spannung entsprechen. In einem anderen Fall kann der Drehzahlmesser dazu eingerichtet sein, die über den Shunt-Widerstand abfallende Spannung zu verstärken, um das Stromsignal zu erhalten. Desweiteren kann es in manchen Ausgestaltungen vorgesehen sein, dass das Stromsignal der Vorrichtung vorverstärkt zugeführt wird. Beispielsweise umfassen typische Motortreiber integrierte Proportionalverstärker, so dass keine zusätzlichen Bauteile zur Verstärkung des Eingangssignals der Drehzahlregelung benötigt werden. Die Messung des Stroms kann ebenso über einen Widerstand der Drain-Source-Strecke eines Transistors, insbesondere eines MOSFETs(metal-oxide-semiconductor fieldeffect transistor) eines Motortreibers oder mittels einer Stromspiegelschaltung erfolgen.The device can additionally comprise a shunt resistor in a drive current line, for example in a drive current line between an output of the voltage supply and a first sliding contact or in a driving current line between a second sliding contact and a ground contact. The tachometer can be set up to determine the current signal from the drive current via the shunt resistor. For example, the current signal can correspond to the voltage drop across the shunt resistor. In another case, the tachometer can be set up to amplify the voltage drop across the shunt resistor in order to obtain the current signal. Furthermore, it can be provided in some configurations that the current signal is supplied to the device in a preamplified manner. For example, typical motor drivers include integrated proportional amplifiers, so that no additional components are required to amplify the input signal of the speed control. The current can also be measured via a resistance of the drain-source path of a transistor, in particular a MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) of a motor driver, or by means of a current mirror circuit.

Die Steuereinheit kann dazu eingerichtet sein, ein Antriebsignal des Elektromotors abhängig von der ermittelten Drehzahl und einer Soll-Drehzahl zu regeln. Hierzu kann die Steuereinheit dazu eingerichtet sein, über einen Eingang eine Soll-Drehzahl zu empfangen, beispielsweise von einem anderen Gerät oder einem Benutzer in Form eines digitalen Werts oder einer analogen Eingangsspannung. Die Steuereinheit kann ferner dazu einrichtet sein, die ermittelte Drehzahl mit der Soll-Drehzahl zu vergleichen und basierend auf diesem Vergleich das Antriebsignal anzupassen, beispielsweise durch Änderung des Tastverhältnisses und/oder der Amplitude einer von der Spannungsversorgung erzeugten pulsweitenmodulierten Versorgungsspannung.The control unit can be set up to regulate a drive signal of the electric motor as a function of the determined speed and a target speed. For this purpose, the control unit can be set up to receive a target speed via an input, for example from another device or a user in the form of a digital value or an analog input voltage. The control unit can also be set up to compare the determined speed with the target speed and, based on this comparison, to adapt the drive signal, for example by changing the pulse duty factor and / or the amplitude of a pulse-width-modulated supply voltage generated by the voltage supply.

Die Vorrichtung kann darüber hinaus einen zweiten Elektromotor umfassen. Die Steuereinheit kann dazu eingerichtet sein, ein oder mehrere Antriebsignale für den zweiten Elektromotor auszugeben und diese zu steuern, beispielsweise in Form einer weiteren pulsweitenmodulierten Versorgungsspannung. Insbesondere kann die Steuereinheit dazu eingerichtet sein, ein Antriebsignal des zweiten Elektromotors wie oben beschrieben abhängig von der ermittelten Drehzahl zu regeln.The device can also include a second electric motor. The control unit can be set up to output one or more drive signals for the second electric motor and to control them, for example in the form of a further pulse-width-modulated supply voltage. In particular, the control unit can be set up to regulate a drive signal of the second electric motor as described above as a function of the determined speed.

Der erste Elektromotor kann dazu eingerichtet sein, eine Pumpe anzutreiben, beispielsweise eine Spritzwasserdruckpumpe oder eine Kühlflüssigkeitspumpe eines Kraftfahrzeugs. Der erste Elektromotor kann zum Beispiel ein mechanisch kommutierender Gleichstrommotor sein. Der zweite Elektromotor kann dazu eingerichtet sein, ein Ventil zu verstellen, das sich in einer Ausgangsleitung der Pumpe befindet. Das Ventil kann insbesondere ein Wegeventil sein, welches eine von der Pumpe in der Ausgangsleitung erzeugte Strömung auf mehrere Ausgänge verteilt. In einem Beispiel kann das Ventil ein 10-Wege-Ventil mit zehn Ausgängen sein. Der zweite Elektromotor kann beispielsweise ein bürstenloser Gleichstrommotor sein.The first electric motor can be set up to drive a pump, for example a spray water pressure pump or a coolant pump of a motor vehicle. The first electric motor can be a mechanically commutating direct current motor, for example. The second electric motor can be set up to adjust a valve which is located in an outlet line of the pump. The valve can in particular be a directional control valve which distributes a flow generated by the pump in the outlet line to several outlets. In one example, the valve can be a 10-way valve with ten outputs. The second electric motor can be a brushless DC motor, for example.

FigurenlisteFigure list

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren zeigen in schematischer Darstellung

1a: eine Vorrichtung mit einem Elektromotor und einer Steuereinheit gemäß einem Beispiel;
1b: einen Drehzahlmesser einer Steuereinheit gemäß einem Beispiel;
1c: eine Ausgestaltung eines Drehzahlmessers einer Steuereinheit gemäß 1b;
2: ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Drehzahlbestimmung gemäß einem Beispiel;
3a: einen beispielhaften Verlauf eines Stromsignals für einen Antriebsstrom eines Gleichstrommotors im Betrieb;
3b: das Glätten eines Stromsignals gemäß einem Beispiel; und
3c: das Vergleichen eines Verlaufs eines Stromsignals mit einem zeitlich gemittelten Verlauf des Stromsignals gemäß einem Beispiel.

The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings. In the figures show a schematic representation

1a : a device with an electric motor and a control unit according to an example;
1b : a tachometer of a control unit according to an example;
1c : An embodiment of a tachometer according to a control unit 1b ;
2nd : a flowchart of a method for determining the speed according to an example;
3a : an exemplary course of a current signal for a drive current of a DC motor in operation;
3b : smoothing a current signal according to an example; and
3c : comparing a profile of a current signal with a time-average profile of the current signal according to an example.

BESCHREIBUNG DER FIGURENDESCRIPTION OF THE FIGURES

1a zeigt eine Vorrichtung 100 gemäß einem Beispiel, mit der das erfindungsgemäße Verfahren implementiert werden kann. Die Vorrichtung 100 umfasst einen Elektromotor 102. Der Elektromotor 102 kann zum Beispiel ein mechanisch kommutierender Gleichstrommotor sein, der einen äußeren Stator 104 und einen beweglich gelagerten inneren Rotor 106 umfasst. Der Stator 104 kann einen oder mehrere Magnete 108 umfassen, beispielsweise Permanentmagnete oder Elektromagnete. Der Rotor 106 kann mit anderen beweglichen Elementen mechanisch gekoppelt sein, beispielsweise mit einem Pumpenläufer oder Pumpkolben einer Pumpe oder mit einem Stellglied, wobei ein Getriebe zwischengeschaltet sein kann. 1a shows a device 100 according to an example with which the method according to the invention can be implemented. The device 100 includes an electric motor 102 . The electric motor 102 can be, for example, a mechanically commutating DC motor that has an outer stator 104 and a movably mounted inner rotor 106 includes. The stator 104 can have one or more magnets 108 include, for example, permanent magnets or electromagnets. The rotor 106 can be mechanically coupled with other movable elements, for example with a pump rotor or pump piston of a pump or with an actuator, wherein a transmission can be interposed.

Der Rotor 106 kann eine oder mehrere Antriebsspulen 110 und Lamellen 112 aufweisen, wobei die Anschlusskontakte der Antriebsspulen 110 mit den Lamellen 112 elektrisch verbunden sind. Die Lamellen 112 können beispielsweise Segmente eines an mehreren Stellen unterbrochenen Metallrings sein. Die Anschlusskontakte einer Antriebsspule 110 können mit jeweils einer Lamelle fest verbunden sein. Der Elektromotor 102 kann ferner zwei oder mehr Schleifkontakte 114 aufweisen, die so angeordnet sind, dass sie abhängig von der Stellung des Rotors 106 mit jeweils einer Lamelle in Kontakt stehen. Hierzu kann ein Schleifkontakt zum Beispiel eine Kohlebürste aus Graphit und/oder Metall aufweisen, um mit einer Lamelle verbunden sein zu können, ohne die Bewegung des Rotors 106 zu beeinträchtigen. Die Lamellen 112 und Schleifkontakte 114 können dazu eingerichtet sein, eine Versorgungsspannung durch eine Bewegung des Rotors 106 mechanisch zu kommutieren, um geeignete Antriebsignale für die Antriebsspulen 110 zu erzeugen.The rotor 106 can have one or more drive coils 110 and slats 112 have, the connection contacts of the drive coils 110 with the slats 112 are electrically connected. The slats 112 can be segments of a metal ring interrupted at several points, for example. The connection contacts of a drive coil 110 can be permanently connected to one slat. The electric motor 102 can also have two or more sliding contacts 114 have, which are arranged so that they depend on the position of the rotor 106 are in contact with one slat at a time. For this purpose, a sliding contact can have, for example, a carbon brush made of graphite and / or metal in order to be able to be connected to a lamella without the movement of the rotor 106 to affect. The slats 112 and sliding contacts 114 can be set up to supply voltage by moving the rotor 106 mechanically commutate to provide suitable drive signals for the drive coils 110 to create.

Der Elektromotor 102 ist mit einer Steuereinheit 116 verbunden, die dazu eingerichtet ist, den Elektromotor 102 zu steuern. Die Steuereinheit 116 kann eine Spannungsversorgung 118 ansteuern, die dazu eingerichtet ist, die Versorgungsspannung für den Antrieb des Elektromotors 102 bereitzustellen. Hierzu kann die Steuereinheit 116 ein Pulsweitenmodulations-Modul aufweisen, welches dazu eingerichtet ist, aus einer Eingangsspannung eine pulsweitenmodulierte Versorgungsspannung zu erzeugen. Die Frequenz der Pulsweitenmodulation kann beispielsweise 25 kHz betragen. Die Steuereinheit 116 kann dazu eingerichtet sein, die Versorgungsspannung zu regeln, um den Elektromotor 102 zu steuern, beispielsweise durch Änderung des Tastverhältnisses und/oder der Amplitude der Versorgungsspannung.The electric motor 102 is with a control unit 116 connected, which is set up the electric motor 102 to control. The control unit 116 can be a power supply 118 control, which is set up to the supply voltage for driving the electric motor 102 to provide. The control unit can do this 116 have a pulse width modulation module which is set up to generate a pulse width modulated supply voltage from an input voltage. The frequency of the pulse width modulation can be 25 kHz, for example. The control unit 116 can be set up to regulate the supply voltage to the electric motor 102 to control, for example by changing the duty cycle and / or the amplitude of the supply voltage.

Die Steuereinheit 116 umfasst einen Drehzahlmesser 120, der dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der Drehzahl des Rotors 106 auszuführen. Der Drehzahlmesser 120 wird im Folgenden mit Bezug auf 1b ausführlich beschrieben.The control unit 116 includes a tachometer 120 , which is set up, the inventive method for determining the speed of the rotor 106 to execute. The tachometer 120 is referred to below with reference to 1b described in detail.

Die Vorrichtung 100 kann ferner einen Erdungskontakt 122 aufweisen, wobei ein Ausgang der Spannungsversorgung 118 über eine Antriebsstromleitung mit einem der Schleifkontakte 114 verbunden sein kann und ein anderer der Schleifkontakte 114 über eine weitere Antriebsstromleitung mit dem Erdungskontakt 122 verbunden sein kann. Der Erdungskontakt 122 kann insbesondere Teil der Spannungsversorgung 118 sein. In einer der Antriebsstromleitungen kann sich ein Shunt-Widerstand 124 finden, beispielsweise zwischen einem der Schleifkontakte 114 und dem Erdungskontakt 122. Die Vorrichtung 100 kann darüber hinaus ein Messgerät 126 umfassen, welches dazu eingerichtet ist, einen Strom durch den Shunt-Widerstand 124 oder eine über den Shunt-Widerstand 124 abfallende Spannung zu messen. In einer bevorzugten Ausführung kann die über den Shunt-Widerstand 124 abfallende Spannung als Stromsignal direkt oder verstärkt an den Drehzahlmesser 120 weitergeleitet werden, beispielsweise indem ein Eingang 128 des Drehzahlmessers 120 mit einem Punkt vor dem Shunt-Widerstand 124 verbunden ist und eine Erdung 130 des Drehzahlmessers 120 mit einem Punkt nach dem Shunt-Widerstand, etwa dem Erdungskontakt 122, verbunden ist.The device 100 can also have a ground contact 122 have an output of the voltage supply 118 via a drive power line with one of the sliding contacts 114 can be connected and another of the sliding contacts 114 via another drive power line with the earth contact 122 can be connected. The earth contact 122 can in particular be part of the power supply 118 be. A shunt resistor can be found in one of the drive power lines 124 find, for example, between one of the sliding contacts 114 and the ground contact 122 . The device 100 can also be a measuring device 126 include, which is set up a current through the shunt resistor 124 or one over the shunt resistor 124 measuring falling voltage. In a preferred embodiment, this can be done via the shunt resistor 124 falling voltage as a current signal directly or amplified to the tachometer 120 forwarded, for example, by an input 128 of the tachometer 120 with a point in front of the shunt resistor 124 is connected and a ground 130 of the tachometer 120 with a point after the shunt resistance, such as the ground contact 122 , connected is.

Die Vorrichtung 100 stellt nur eine beispielhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar und kann in vielfacher Weise modifiziert werden. Beispielsweise kann die Zahl und/oder Anordnung der Lamellen 112 und Antriebsspulen 110 variieren. Der Elektromotor 102 kann eine andere Bauform aufweisen, zum Beispiel ein bürstenloser Gleichstrommotor sein. In einem anderen Beispiel kann das Messgerät 126 zwischen den Anschlusskontakten einer Antriebspule 110 eingebaut sein, um einen Strom durch die Antriebspule 110 zu messen. Alternativ kann der Strom in manchen Ausgestaltungen auch über Halbleiterschalter, insbesondere Feldeffekttransistoren, welche zum Treiben der Spannungsversorgung eines Elektromotors verwendet werden, gemessen werden, beispielsweise über den Widerstand der Drain-Source-Strecke des Feldeffekttransistors oder mittels einer StromSpiegelschaltung.The device 100 represents only an exemplary embodiment of the device according to the invention and can be modified in many ways. For example, the number and / or arrangement of the slats 112 and drive coils 110 vary. The electric motor 102 can have a different design, for example a brushless DC motor. In another example, the meter 126 between the connection contacts of a drive coil 110 be built to current through the drive coil 110 to eat. Alternatively, in some configurations, the current can also be measured via semiconductor switches, in particular field effect transistors, which are used to drive the voltage supply of an electric motor, for example via the resistance of the drain-source path of the field effect transistor or by means of a current mirror circuit.

In 1b ist eine beispielhafte Ausgestaltung des Drehzahlmessers 120 dargestellt, die dazu eingerichtet ist, das Stromsignal abhängig von einer am Eingang 128 anliegenden Spannung zu erhalten, beispielsweise der über den Shunt-Widerstand 124 abfallende Spannung. In einem anderen Beispiel kann der Drehzahlmesser 120 aber auch dazu eingerichtet sein, das Stromsignal beispielsweise mit Hilfe des Messgeräts 126 als analoges Signal oder digitalen Wert zu bestimmen und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu verarbeiten. Insbesondere kann der Drehzahlmesser 120 einen entsprechend programmierten Mikrocontroller umfassen, der dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durch digitale Datenverarbeitung zu implementieren. D.h. die in 1b gezeigten Komponenten können sämtlich oder teilweise in einem oder mehreren Mikrocontrollern realisiert sein. Eine detaillierte Ausgestaltung der in der 1b dargestellten Variante des Drehzahlmessers ist in der 1c gezeigt. Die folgende Beschreibung nimmt, sofern nichts Gegenteiliges erwähnt ist, gleichermaßen auf die 1b als auch auf die 1c Bezug.In 1b is an exemplary embodiment of the tachometer 120 shown, which is set up the current signal depending on one at the input 128 applied voltage too get, for example, the shunt resistor 124 falling voltage. In another example, the tachometer 120 but can also be set up for the current signal, for example with the aid of the measuring device 126 to be determined as an analog signal or digital value and to be processed by the method according to the invention. In particular, the tachometer 120 comprise an appropriately programmed microcontroller which is set up to implement the method according to the invention by digital data processing. Ie the in 1b All or part of the components shown can be implemented in one or more microcontrollers. A detailed design of the in the 1b shown variant of the tachometer is in the 1c shown. Unless otherwise stated, the following description equally applies to that 1b on the as well 1c Reference.

Der Eingang 128 kann mit einer Hochpassschaltung 132 verbunden sein, um einen konstanten Offset aus dem Stromsignal herauszufiltern. Hierzu kann die Hochpassschaltung 132 einen Hochpassfilter umfassen, beispielsweise einen analogen Hochpassfilter erster Ordnung mit einem RC-Glied, dessen Grenzfrequenz durch die Kapazität des Kondensators und den Widerstand bestimmt wird.The entrance 128 can with a high pass circuit 132 be connected to filter out a constant offset from the current signal. For this, the high pass circuit 132 comprise a high-pass filter, for example an analog first-order high-pass filter with an RC element, the cut-off frequency of which is determined by the capacitance of the capacitor and the resistance.

Das durch die Hochpassschaltung 132 gefilterte Stromsignal kann an eine Spannungsteilerschaltung 134 weitergeleitet werden, die dazu dient, einen vordefinierten Offset zu dem Stromsignal zu addieren. Der vordefinierte Offset kann an einen Arbeitspunkt einer auf die Spannungsteilerschaltung 134 folgenden Schaltung, insbesondere einer Diode, eines Operationsverstärkers oder einer Operationsverstärkerschaltung, angepasst sein. Die Spannungsteilerschaltung 134 kann zum Beispiel zwei Widerstände umfassen, die zwischen einer Spannungsquelle VCC_ARROW und der Erdung 130 des Drehzahlmessers 120 in Reihe geschaltet sind. Ein Eingang der Spannungsteilerschaltung 134, an dem das Stromsignal anliegt, und ein Ausgang der Spannungsteilerschaltung 134 können mit einem Punkt zwischen den beiden Widerständen verbunden sein. In einem Beispiel können die Hochpassschaltung 132 und die Spannungsteilerschaltung 134 zu einer Schaltung kombiniert sein, bei der wenigstens einer der beiden Widerstände der Spannungsteilerschaltung 134 gleichzeitig zu einem Widerstand eines Hochpassfilters beitragen, wobei auch weitere Schaltungsteile, insbesondere ein Eingangswiderstand eines nachfolgenden Schaltungsteils, zum Widerstand des Hochpassfilters beitragen können. Die Spannungsteilerschaltung 134 kann zudem einen Verstärker aufweisen, der dazu eingerichtet ist, das Stromsignal vor Addieren des vordefinierten Offset zu verstärken.That through the high pass circuit 132 filtered current signal can be connected to a voltage divider circuit 134 forwarded, which serves to add a predefined offset to the current signal. The predefined offset can be at an operating point on the voltage divider circuit 134 following circuit, in particular a diode, an operational amplifier or an operational amplifier circuit. The voltage divider circuit 134 For example, may include two resistors connected between a VCC_ARROW voltage source and ground 130 of the tachometer 120 are connected in series. An input of the voltage divider circuit 134 , to which the current signal is present, and an output of the voltage divider circuit 134 can be connected to a point between the two resistors. In one example, the high pass circuit 132 and the voltage divider circuit 134 be combined to form a circuit in which at least one of the two resistors of the voltage divider circuit 134 at the same time contribute to a resistance of a high-pass filter, wherein further circuit parts, in particular an input resistance of a subsequent circuit part, can also contribute to the resistance of the high-pass filter. The voltage divider circuit 134 can also have an amplifier which is set up to amplify the current signal before adding the predefined offset.

Der Ausgang der Spannungsteilerschaltung 134 kann mit einem Eingang einer Glättungsschaltung 136 verbunden sein, die dazu eingerichtet ist das Stromsignal zu glätten. Die Glättungsschaltung 136 kann eine Kompensationsschaltung 138 beinhalten, die dazu eingerichtet ist, eine kurzzeitige Unterbrechung des eingehenden Signals, insbesondere aufgrund einer Pulsweitenmodulation der Versorgungsspannung des Motors 102, zu kompensieren. In der Kompensationsschaltung 138 kann das eingehende Signal eine Diode, zum Beispiel eine Schottky-Diode, als Gleichrichter durchlaufen, deren Ausgang über einen Kondensator mit der Erdung 130 verbunden ist. Liegt eine Spannung als eingehendes Signal an, kann der Kondensator aufgeladen werden und somit das ausgehende Signal, d.h. die Spannung am Ausgang der Kompensationsschaltung 138, kurzfristig aufrechterhalten, wenn das eingehende Signal zum Beispiel aufgrund einer Pulsweitenmodulation der Versorgungsspannung des Motors 102 einbricht. Die Kapazität des Kondensators kann beispielsweise an die PWM-Frequenz und einen effektiven Widerstand der auf die Kompensationsschaltung 138 folgenden Schaltungen angepasst sein, so dass eine Entladung des Kondensators auf einer Zeitskala erfolgt, die langsam verglichen mit der Periode der Pulsweitenmodulation ist. In einem Beispiel kann die Kapazität so gewählt sein, dass bei einem instantanen Abfall des eingehenden Signals von einem Signalwert auf null das ausgehende Signal innerhalb einer Periode der Pulsweitenmodulation höchstens um 10% des Signalwerts abfällt.The output of the voltage divider circuit 134 can with an input of a smoothing circuit 136 be connected, which is set up to smooth the current signal. The smoothing circuit 136 can be a compensation circuit 138 contain, which is set up to briefly interrupt the incoming signal, in particular due to pulse width modulation of the supply voltage of the motor 102 , to compensate. In the compensation circuit 138 the incoming signal can pass through a diode, for example a Schottky diode, as a rectifier, the output of which is connected to ground via a capacitor 130 connected is. If a voltage is present as an incoming signal, the capacitor can be charged and thus the outgoing signal, ie the voltage at the output of the compensation circuit 138 , maintained briefly when the incoming signal, for example due to pulse width modulation of the supply voltage of the motor 102 breaks in. The capacitance of the capacitor can depend, for example, on the PWM frequency and an effective resistance on the compensation circuit 138 The following circuits can be adapted so that the capacitor is discharged on a time scale that is slow compared to the period of the pulse width modulation. In one example, the capacitance can be selected such that if the incoming signal instantly drops from a signal value to zero, the outgoing signal drops by at most 10% of the signal value within a period of the pulse width modulation.

Die Glättungsschaltung 136 kann zudem den zweiten Tiefpassfilter 140 umfassen, mit der das von der Kompensationsschaltung 138 ausgegebene Stromsignal weiter geglättet werden kann. Der zweite Tiefpassfilter 140 kann dazu eingerichtet sein, Anteile mit hohen Frequenzen aus dem Stromsignal zu filtern. Die Grenzfrequenz des zweiten Tiefpassfilters kann der zweiten Grenzfrequenz entsprechen und kann so gewählt sein, dass die Grenzfrequenz größer oder gleich der charakteristischen Frequenz, aber kleiner als die PWM-Frequenz ist. Somit können beispielsweise von der Pulsweitenmodulation hervorgerufene und von der Kompensationsschaltung 138 nicht vollständig kompensierte Schwankungen des Stromsignals herausgefiltert werden, während von der Rotordrehung verursachte Schwankungen, auf denen das erfindungsgemäße Verfahren zur Drehzahlbestimmung basiert, ungehindert durchgelassen werden. Um eine ausreichende Unterdrückung hoher Frequenzen zu gewährleisten, kann der zweite Tiefpassfilter aus mehreren, hintereinander geschalteten Tiefpassfiltern bestehen. In einem Beispiel setzt sich der zweite Tiefpassfilter 140 aus zwei Tiefpassfiltern 141, 142 zusammen, wobei die beiden Tiefpassfilter 141, 1,42 als Bessel-Filter ausgebildet sein können. Der zweite Tiefpassfilter 140 erreicht in solch einer Ausgestaltung beispielsweise eine Unterdrückung um 40 dB bei einer Frequenz von 25 kHz, während die Unterdrückung bei der zweiten Grenzfrequenz von beispielsweise 3 kHz lediglich 3 dB beträgt.The smoothing circuit 136 can also use the second low pass filter 140 include with that of the compensation circuit 138 output current signal can be smoothed further. The second low pass filter 140 can be set up to filter components with high frequencies from the current signal. The cut-off frequency of the second low-pass filter can correspond to the second cut-off frequency and can be chosen such that the cut-off frequency is greater than or equal to the characteristic frequency but less than the PWM frequency. Thus, for example, pulse width modulation and compensation circuitry can 138 fluctuations in the current signal that are not fully compensated are filtered out, while fluctuations caused by the rotor rotation, on which the method according to the invention for determining the rotational speed is based, are passed through unhindered. In order to ensure sufficient suppression of high frequencies, the second low-pass filter can consist of several low-pass filters connected in series. In one example, the second low-pass filter is set 140 from two low pass filters 141 , 142 together, taking the two low pass filters 141 , 1.42 can be designed as a Bessel filter. The second low pass filter 140 achieves one in such an embodiment Suppression by 40 dB at a frequency of 25 kHz, while the suppression at the second cut-off frequency of 3 kHz, for example, is only 3 dB.

Das von der Glättungsschaltung 136 ausgegebene Signal kann anschließend in zwei Zweige aufgeteilt werden, wobei ein Zweig eine Tiefpassschaltung 143 durchlaufen kann. Die Tiefpassschaltung 143 kann den ersten Tiefpassfilter enthalten, der dazu eingerichtet ist, aus dem Stromsignal das zeitlich gemittelte Stromsignal zu erzeugen, wobei optional auch eine Phasenverschiebung des gefilterten Stromsignals vorgesehen sein kann. Die Grenzfrequenz des ersten Tiefpassfilters kann der ersten Grenzfrequenz entsprechen. In einem Beispiel ist der erste Filter ein analoger Tiefpassfilter erster Ordnung mit einem RC-Glied, dessen Grenzfrequenz durch die Kapazität des Kondensators und den Widerstand bestimmt wird.That from the smoothing circuit 136 Output signal can then be divided into two branches, one branch being a low pass circuit 143 can go through. The low pass circuit 143 can contain the first low-pass filter, which is set up to generate the time-averaged current signal from the current signal, and optionally a phase shift of the filtered current signal can also be provided. The cut-off frequency of the first low-pass filter can correspond to the first cut-off frequency. In one example, the first filter is a first-order analog low-pass filter with an RC element, the cutoff frequency of which is determined by the capacitance of the capacitor and the resistance.

Der Ausgang der Tiefpassschaltung 143 kann mit einem Eingang einer Komparatorschaltung 144 verbunden sein, während ein anderer Eingang der Komparatorschaltung 144 direkt an den Ausgang der Glättungsschaltung 136 angeschlossen ist. Die Komparatorschaltung 144 kann dazu eingerichtet sein, die an den beiden Eingängen anliegenden Signale zu vergleichen, in diesem Fall das Stromsignal und das zeitlich gemittelte Stromsignal, und an einem Ausgang ein auf dem Vergleich basierendes Komparatorsignal auszugeben. Die Komparatorschaltung 144 kann einen Differenzverstärker enthalten, der dazu eingerichtet ist, eine Differenz zwischen den an den beiden Eingängen anliegenden Signalen zu bilden und gegebenenfalls zu verstärken. Die Komparatorschaltung 144 kann zudem eine Ausgangsstufe enthalten, die dazu eingerichtet ist, abhängig von einem Ausgangssignal des Differenzverstärkers ein Signal mit einem ersten Ausgabewert oder einem zweiten Ausgabewert auszugeben. Hierzu kann die Ausgangsstufe beispielsweise einen Transistor umfassen, der durch das Ausgangssignal des Differenzverstärkers gesteuert wird. In einem Beispiel kann der erste Ausgabewert einer Versorgungsspannung der Komparatorschaltung 144 entsprechen und der zweite Ausgabewert null sein oder der negativen Versorgungsspannung entsprechen. Die Komparatorschaltung 144 kann eine Schalthysterese aufweisen und hierzu beispielsweise einen Schmitt-Trigger umfassen.The output of the low pass circuit 143 can with an input of a comparator circuit 144 be connected while another input of the comparator circuit 144 directly to the output of the smoothing circuit 136 connected. The comparator circuit 144 can be set up to compare the signals present at the two inputs, in this case the current signal and the current signal averaged over time, and to output a comparator signal based on the comparison at an output. The comparator circuit 144 can contain a differential amplifier which is set up to form a difference between the signals present at the two inputs and, if necessary, to amplify them. The comparator circuit 144 can also contain an output stage which is set up to output a signal with a first output value or a second output value depending on an output signal of the differential amplifier. For this purpose, the output stage can comprise, for example, a transistor which is controlled by the output signal of the differential amplifier. In one example, the first output value of a supply voltage of the comparator circuit 144 correspond and the second output value be zero or correspond to the negative supply voltage. The comparator circuit 144 can have a switching hysteresis and for this purpose, for example, comprise a Schmitt trigger.

Der Drehzahlmesser 120 kann einen Mikrocontroller 146 umfassen, der dazu eingerichtet ist, anhand des Komparatorsignals die Drehzahl des Rotors 106 wie weiter unten beschrieben zu ermitteln. Der Mikrocontroller 146 kann beispielsweise einen Eingang aufweisen, der an den Ausgang der Komparatorschaltung 144 gekoppelt ist, um das Komparatorsignal auszulesen. Der Mikrocontroller 146 kann dazu eingerichtet sein, den exakten Wert des Komparatorsignals zu ermitteln, beispielsweise mithilfe eines digitalen Spannungsmessgerätes. Alternativ kann der Mikrocontroller 146 lediglich dazu eingerichtet sein, zwischen zwei Werten des Komparatorsignals zu unterscheiden. Der Mikrocontroller 146 kann außerdem dazu eingerichtet sein, die ermittelte Drehzahl anderen Komponenten innerhalb der Steuereinheit 116, einem externen Gerät und/oder einem Benutzer über eine Schnittstelle zur Verfügung zu stellen.The tachometer 120 can be a microcontroller 146 comprise, which is set up, based on the comparator signal, the speed of the rotor 106 as described below. The microcontroller 146 can have, for example, an input connected to the output of the comparator circuit 144 is coupled to read out the comparator signal. The microcontroller 146 can be set up to determine the exact value of the comparator signal, for example using a digital voltage measuring device. Alternatively, the microcontroller 146 only be set up to distinguish between two values of the comparator signal. The microcontroller 146 can also be set up to determine the determined speed of other components within the control unit 116 to provide an external device and / or a user via an interface.

Der in 1b gezeigte Drehzahlmesser 120 stellt nur eine beispielhafte Ausgestaltung dar und andere Ausgestaltungen des Drehzahlmessers 120 können hiervon in vielerlei Hinsicht abweichen. Der Drehzahlmesser 120 kann weitere Schaltungen, beispielsweise Verstärkerstufen, enthalten oder nur einige der Komponenten 132-146 umfassen. Zudem kann die Anordnung der Elemente abweichen und mehrere Elemente in einer Schaltung zusammengefasst sein. Die Aufteilung des Signals kann zum Beispiel bereits vor oder innerhalb der Glättungsschaltung 136 erfolgen. In einem anderen Beispiel kann der Ausgang der Tiefpassschaltung 143 und der Glättungsschaltung 136 direkt mit dem Mikrocontroller 146 verbunden sein, wobei der Mikrocontroller 146 zusätzlich dazu eingerichtet sein kann, das Stromsignal und das zeitlich gemittelte Stromsignal zu messen und miteinander zu vergleichen. Insbesondere kann der Mikrocontroller 146 dazu eingerichtet sein, eine Fourier-Transformation des Stromsignals und/oder des zeitlich gemittelten Stromsignals durchzuführen.The in 1b shown tachometer 120 represents only an exemplary embodiment and other configurations of the tachometer 120 can differ in many ways. The tachometer 120 can contain further circuits, for example amplifier stages, or only some of the components 132-146 include. In addition, the arrangement of the elements can differ and several elements can be combined in one circuit. The division of the signal can, for example, already before or within the smoothing circuit 136 respectively. In another example, the output of the low pass circuit 143 and the smoothing circuit 136 directly with the microcontroller 146 be connected, the microcontroller 146 can additionally be set up to measure and compare the current signal and the time-averaged current signal. In particular, the microcontroller 146 be set up to perform a Fourier transformation of the current signal and / or of the time-averaged current signal.

Die in der 1c dargestellte Ausgestaltung entspricht im Wesentlichen dem schematischen Aufbau der Fig. ib. Dem Hochpassfilter 132 wird ein Eingangssignal V_sig zugeführt. In dieser Ausgestaltung ist der Hochpassfilter 132 als ein einfaches RC-Glied mit einem Kondensator C8 ausgebildet, wobei der Widerstand des RC-Gliedes durch einen Widerstand eines nachfolgenden Schaltungsteils gegeben ist. Der Hochpassfilter 132 blockiert somit den niederfrequenten Anteil, beziehungsweise den DC-Anteil, des Eingangssignals, so dass lediglich der Wechselspannungsanteil des Eingangssignals durchgelassen wird.The in the 1c The configuration shown essentially corresponds to the schematic structure of FIG. 1b. The high-pass filter 132 an input signal V _{sig is} supplied. In this embodiment, the high pass filter 132 as a simple RC link with a capacitor C8 formed, wherein the resistance of the RC element is given by a resistance of a subsequent circuit part. The high pass filter 132 thus blocks the low-frequency component, or the DC component, of the input signal, so that only the AC voltage component of the input signal is let through.

Ein Ausgang des Hochpassfilters 132 ist nun mit einem Schaltungsteil zur Offset-Addition verbunden. Die Offset-Addition umfasst in der Ausgestaltung der 1c zwei Widerstände R45 und R46, wobei die Widerstände als Spannungsteiler 134 angeordnet sind. Der eine Widerstand R46 ist mit einem Masseanschluss GND gekoppelt. Der andere Widerstand R45 ist mit der Spannungsquelle VCC_ARROW verbunden. Somit kann über den Widerstand R45 ein definierter Gleichstromanteil zu dem Signal addiert werden. Die Offset-Addition ist in manchen Ausgestaltungen derart eingestellt, dass die an einem Differenzverstärker des zweiten Tiefpasses anliegenden Eingangssignale eine einzige Polarität aufweisen und dadurch dem Arbeitsbereich des Differenzverstärkers angepasst sind. Die Anpassung kann insbesondere durch ein Anpassen der Spannung VCC_ARROW und/oder der Widerstände R45 und R46 erfolgen.An output of the high pass filter 132 is now connected to a circuit part for offset addition. In the embodiment, the offset addition comprises the 1c two resistors R45 and R46 , using the resistors as voltage dividers 134 are arranged. The one resistance R46 is coupled to a GND ground connection. The other resistance R45 is connected to the voltage source VCC_ARROW. Thus, about the resistance R45 a defined DC component can be added to the signal. In some configurations, the offset addition is set such that the input signals present at a differential amplifier of the second low-pass filter have a single polarity and are therefore adapted to the working range of the differential amplifier. The adaptation can in particular be done by adapting the voltage VCC_ARROW and / or the resistors R45 and R46 respectively.

An einem Ausgang der Offset-Addition ist eine Glättungsschaltung 136 angeordnet. Die Glättungsschaltung 136 umfasst im Beispiel eine Kompensationsschaltung 138 und den zweiten Tiefpassfilter 140. Die Kompensationsschaltung 138 ist in dieser Ausgestaltung durch eine Schottkydiode Di, einen Kondensator C9, sowie einem Widerstand R49 gebildet. Die Kompensationsschaltung 138 ist insbesondere derart ausgebildet, dass eine Einhüllende eines pulsweitenmodulierten Signals am Ausgang der Kompensationsschaltung 138 bereitgestellt werden kann. Der Ausgang der Glättungsschaltung 138 ist nun mit dem zweiten Tiefpassfilter 140 gekoppelt. Der Tiefpassfilter 140 ist hier beispielhaft als kaskadierter Tiefpassfilter, der zwei seriell angeordnete Tiefpassfilter 141. 142 umfasst, ausgebildet. Beide Tiefpassfilter 141,142 umfassen jeweils einen Differenzverstärker U1A, beziehungsweise U1B. Die Tiefpassfilter 141, 142 sind in dieser Ausgestaltung jeweils als Besselfilter ausgebildet, wobei alternativ auch andere Typen vorgesehen sein können.There is a smoothing circuit at an output of the offset addition 136 arranged. The smoothing circuit 136 in the example includes a compensation circuit 138 and the second low pass filter 140 . The compensation circuit 138 is in this embodiment by a Schottky diode Di, a capacitor C9, and a resistor R49 educated. The compensation circuit 138 is in particular designed such that an envelope of a pulse width modulated signal at the output of the compensation circuit 138 can be provided. The output of the smoothing circuit 138 is now with the second low pass filter 140 coupled. The low pass filter 140 is an example here as a cascaded low pass filter, the two serially arranged low pass filter 141 . 142 includes trained. Both low pass filters 141 , 142 each include a differential amplifier U1A or U1B. The low pass filter 141 , 142 are each designed as a Bessel filter in this embodiment, but alternatively other types can also be provided.

Ein Ausgang des zweiten Tiefpassfilters 140 ist direkt über einen Widerstand, der im Beispiel als Serienschaltung aus einem Widerstand R31 und einem Widerstand R44 ausgebildet ist, mit einem ersten Eingang des Komparators 144 verbunden. Desweiteren ist der Ausgang des zweiten Tiefpassfilters 140 mit einem Eingang des ersten Tiefpassfilters 143 verbunden. Der erste Tiefpassfilter 143 ist als ein Schaltungsteil zur Mittelwertbildung ausgebildet, insbesondere zum Bilden eines gleitenden Mittelwertes. Alternativ können auch andere Schaltungstypen zum Bilden des Mittelwertes verwendet werden. Dieser erste Tiefpassfilter 143 umfasst im Beispiel einen Widerstand R3, einen Widerstand R15, sowie einen Kondensator C3. Der erste Tiefpassfilter 143 stellt an einem Ausgang einen gleitenden Mittelwert seines Eingangssignals bereit. Schließlich wird der gleitende Mittelwert an einem zweiten Eingang des Komparators 144 bereitgestellt.An output of the second low pass filter 140 is directly across a resistor, which in the example is a series connection of a resistor R31 and a resistance R44 is formed with a first input of the comparator 144 connected. Furthermore, the output of the second low-pass filter 140 with an input of the first low-pass filter 143 connected. The first low pass filter 143 is designed as a circuit part for averaging, in particular for forming a moving average. Alternatively, other types of circuit can be used to form the mean. This first low pass filter 143 includes a resistor in the example R3 , a resistance R15 , and a capacitor C3. The first low pass filter 143 provides a moving average of its input signal at an output. Finally, the moving average at a second input of the comparator 144 provided.

2 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 200 zur Drehzahlbestimmung gemäß einem Beispiel. Einige Schritte des Verfahrens 200 sind in 3a-3c anhand eines beispielshaften Stromverlaufs 300 illustriert. Das Verfahren 200 kann beispielsweise mit einer Vorrichtung wie der in 1a gezeigten Vorrichtung 100 ausgeführt werden und wird im Folgenden mit Bezug auf die Vorrichtung 100 beschrieben. Dies dient allein der beispielhaften Illustration, das Verfahren 200 kann aber auch mit anderen Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung implementiert werden. Darüber hinaus impliziert die in 2 dargestellte Reihenfolge der Schritte 202-214 keine bestimmte Abfolge, in der die Schritte 202-214 ausgeführt werden. Soweit technisch möglich, können Schritte vertauscht werden und das Verfahren 200 in einer beliebigen Abfolge ausgeführt werden. Insbesondere können Schritte ganz oder teilweise gleichzeitig ausgeführt werden. 2nd shows a flow diagram of a method 200 for speed determination according to an example. A few steps of the procedure 200 are in 3a-3c based on an exemplary current curve 300 illustrated. The procedure 200 can, for example, with a device such as in 1a shown device 100 are carried out and will be described below with reference to the device 100 described. This is for illustrative purposes only, the process 200 can also be implemented with other configurations of the device according to the invention. In addition, the in 2nd sequence of steps shown 202-214 no particular sequence in which the steps 202-214 be carried out. As far as technically possible, steps can be interchanged and the procedure 200 run in any order. In particular, steps can be carried out entirely or partially at the same time.

In Schritt 202 wird das Stromsignal während des Messzeitraums bestimmt, wobei das Stromsignal einen Strom durch den Elektromotor 102 charakterisiert. Der Strom kann beispielsweise der von der Spannungsversorgung 118 erzeugte Antriebsstrom für den Elektromotor 102 sein, der über die Schleifkontakte 114, die Lamellen 112 und die Antriebsspulen 110 fließt. Das Stromsignal kann dabei die über den Shunt-Widerstand 124 abfallende Spannung sein, welche zum Beispiel über den Eingang 128 und die Erdung 130 an den Drehzahlmesser 120 angelegt werden kann. Alternativ kann der durch den Shunt-Widerstand 124 fließende Strom durch ein Messgerät 126 gemessen werden und aus dem Messergebnis ein geeignetes Stromsignal bestimmt werden, beispielsweise als ein digitales Stromsignal oder ein analoges Stromsignal, zum Beispiel eine Spannung.In step 202 the current signal is determined during the measurement period, the current signal being a current through the electric motor 102 characterized. The current can be, for example, that of the voltage supply 118 generated drive current for the electric motor 102 be the one over the sliding contacts 114 who have favourited Slats 112 and the drive coils 110 flows. The current signal can be via the shunt resistor 124 falling voltage, which for example via the input 128 and grounding 130 to the tachometer 120 can be created. Alternatively, the shunt resistor 124 flowing current through a measuring device 126 are measured and a suitable current signal is determined from the measurement result, for example as a digital current signal or an analog current signal, for example a voltage.

In 3a ist ein beispielhafter Verlauf eines Stromsignals 300 dargestellt, das einen Antriebsstrom eines Gleichstrommotors wie beispielsweise des Elektromotors 102 im Betrieb charakterisiert. Im gezeigten Beispiel wird der Elektromotor 102 mit einer pulsweitenmodulierten Versorgungsspannung betrieben, so dass der Antriebsstrom periodisch unterbrochen wird, was sich in ähnlicher Form durch immer wiederkehrende Einbrüche des Stromsignals 300 bemerkbar machen kann. Darüber hinaus kann das Stromsignal 300 eine weitere, langsamere Modulation aufweisen, beispielsweise wie in 3a gezeigt einen über mehrere PWM-Perioden andauernden Anstieg und darauf folgenden Abfall des Stromsignals 300. Die für 3a verwendeten Zeitskalen dienen ausschließlich der Illustration. Bei einer praktischen Implementierung können die Zeitskalen davon abweichen, insbesondere kann die Pulsweitenmodulation schneller im Vergleich zur langsamen Modulation sein.In 3a is an exemplary curve of a current signal 300 shown, the drive current of a DC motor such as the electric motor 102 characterized in operation. In the example shown, the electric motor 102 operated with a pulse width modulated supply voltage, so that the drive current is interrupted periodically, which is similar in form of recurring drops in the current signal 300 noticeable. In addition, the current signal 300 have a further, slower modulation, for example as in 3a shown an increase over several PWM periods and subsequent decrease in the current signal 300 . The for 3a The time scales used are for illustration only. In a practical implementation, the time scales can deviate from this, in particular the pulse width modulation can be faster compared to the slow modulation.

Die langsame Modulation des Stromsignals 300 kann verschiedene Ursachen haben. Beispielsweise kann ein Schleifkontakt 114 bei der mechanischen Kommutierung zwischenzeitlich mit zwei der Lamellen 112 gleichzeitig in Verbindung stehen. Dadurch kann eine der Antriebsspulen 110 kurzgeschlossen werden, was einen Anstieg des Antriebsstroms nach sich ziehen kann. Dieser Effekt kann in bestimmten Stellungen des Rotors 106 auftreten und sich daher bei einer Drehung des Rotors 106 mehrfach wiederholen. Aus der resultierenden Modulation des Stromsignals 300 kann daher die Drehzahl des Rotors 106 abgeleitet werden. Darüber hinaus kann zum Beispiel der Widerstand der Verbindung zwischen den Schleifkontakten 114 und den Lamellen 112 von der Stellung des Rotors 106 abhängen und ebenfalls zu einer Modulation des Antriebsstroms führen. Außerdem können beispielsweise durch eine Bewegung des Rotors 106 Spannungen in den Antriebsspulen 110 induziert werden, die sich ebenfalls auf den Antriebsstrom auswirken. Die langsame Modulation des Stromsignals 300 kann näherungsweise periodisch sein und eine charakteristische Modulationsfrequenz aufweisen, die mit der Drehzahl des Rotors 106 über einen von der motorgeometrieabhängigen Skalierungsfaktor verknüpft ist. Der Skalierungsfaktor kann beispielsweise der Anzahl der Kommutierungen während einer Umdrehung des Rotors entsprechen.The slow modulation of the current signal 300 can have different causes. For example, a sliding contact 114 in the meantime with mechanical commutation with two of the lamellas 112 communicate at the same time. This allows one of the drive coils 110 be short-circuited, which can lead to an increase in the drive current. This effect can occur in certain positions of the rotor 106 occur and therefore when the rotor rotates 106 Repeat several times. From the resulting modulation of the current signal 300 can therefore the speed of the rotor 106 be derived. In addition, for example, the resistance of the connection between the sliding contacts 114 and the slats 112 from the position of the rotor 106 depend and also lead to a modulation of the drive current. In addition, for example, by moving the rotor 106 Tensions in the drive coils 110 be induced, which also affect the drive current. The slow modulation of the current signal 300 can be approximately periodic and have a characteristic modulation frequency that corresponds to the speed of the rotor 106 is linked via a scaling factor dependent on the engine geometry. The scaling factor can, for example, correspond to the number of commutations during one revolution of the rotor.

Um die Drehzahl aus der langsamen Modulation bestimmen zu können, muss der Messzeitraum geeignet gewählt werden. Daher kann der Messzeitraum an eine zu erwartende Drehzahl angepasst sein, so dass zum Beispiel eine Vielzahl von Kommutierungschritten innerhalb des Messzeitraums zu erwarten sind, beispielsweise mehr als zwanzig Kommutierungschritte, wobei ein Kommutierungsschritt dem Wechsel eines Schleifkontakt 114 von einer Lamelle 112 zur nächsten entspricht. In 3a wird der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Kommutierungsschritten durch den horizontalen Pfeil 301 unterhalb der Zeitachse illustriert. Die zu erwartende Drehzahl kann eine Nenndrehzahl des Motors sein, zum Beispiel eine Maximaldrehzahl oder eine Minimaldrehzahl, oder kann anhand einer im Voraus bestimmten Drehzahl abgeschätzt werden, zum Beispiel wenn das erfindungsgemäße Verfahren zuvor bereits einmal durchgeführt wurde.In order to be able to determine the speed from the slow modulation, the measurement period must be selected appropriately. The measurement period can therefore be adapted to an expected speed, so that, for example, a large number of commutation steps can be expected within the measurement period, for example more than twenty commutation steps, one commutation step being the change of a sliding contact 114 from a slat 112 corresponds to the next. In 3a the distance between two consecutive commutation steps is shown by the horizontal arrow 301 illustrated below the timeline. The expected speed can be a nominal speed of the engine, for example a maximum speed or a minimum speed, or can be estimated on the basis of a previously determined speed, for example if the method according to the invention has already been carried out once.

In Schritt 204 kann das Signal einen AC-Filter durchlaufen, wobei ein niederfrequenter Anteil oder ein Gleichstromanteil/ein konstanter Offset aus dem Stromsignal herausgefiltert werden kann. Der AC-Filter betrifft somit insbesondere Anteile des Stromsignals, die während des Messzeitraums kaum variieren, d. h. beispielsweise Fourierkomponenten mit Frequenzen unterhalb des Inversen des Messzeitraums. Dies kann beispielsweise durch die Hochpassschaltung 132 erfolgen, etwa durch Wahl eines geeigneten Kondensators und eines geeigneten Widerstands eines RC-Glieds, so dass eine Grenzfrequenz erreicht wird, die kleiner oder gleich dem Inversen des Messzeitraums ist. Anteile des Stromsignals mit Frequenzen unterhalb der Grenzfrequenz können somit ganz oder teilweise unterdrückt werden, während Anteile mit Frequenzen oberhalb der Grenzfrequenz weitestgehend unverändert bleiben. Bei dem in 3a-c gezeigten Stromsignal 300 ist der einfacheren Darstellung halber keine entsprechende Filterung gezeigt.In step 204 the signal can pass through an AC filter, a low-frequency component or a DC component / a constant offset can be filtered out of the current signal. The AC filter thus relates in particular to portions of the current signal that hardly vary during the measurement period, that is to say, for example, Fourier components with frequencies below the inverse of the measurement period. This can be done, for example, through the high-pass circuit 132 take place, for example by choosing a suitable capacitor and a suitable resistance of an RC element, so that a limit frequency is reached which is less than or equal to the inverse of the measurement period. Parts of the current signal with frequencies below the cut-off frequency can thus be completely or partially suppressed, while parts with frequencies above the cut-off frequency remain largely unchanged. At the in 3a-c shown current signal 300 corresponding filtering is not shown for the sake of simplicity.

Des Weiteren kann in Schritt 206 ein vordefinierter Offset zum Stromsignal addiert werden, zum Beispiel durch die Spannungsteilerschaltung 134. In Kombination mit dem Filtern eines niederfrequenter Anteil oder eines Gleichstromanteils/konstanten Offsets in Schritt 204 (AC-Filter), kann hierdurch das Stromsignal beispielsweise an einen Arbeitspunkt einer Schaltung angepasst werden, zum Beispiel an den Arbeitspunkt der Tiefpassschaltung 143 oder der Komparatorschaltung 144. Insbesondere kann der vordefinierte Offset so gewählt werden, dass das Stromsignal über den gesamten Messzeitraum hin größer oder gleich null ist. Bei dem in 3a-3c gezeigten Stromsignal 300 ist der einfacheren Darstellung halber keine entsprechende Offset-Addition gezeigt.Furthermore, in step 206 a predefined offset can be added to the current signal, for example by the voltage divider circuit 134 . In combination with filtering a low-frequency component or a DC component / constant offset in steps 204 (AC filter), the current signal can hereby be adapted, for example, to an operating point of a circuit, for example to the operating point of the low-pass circuit 143 or the comparator circuit 144 . In particular, the predefined offset can be selected such that the current signal is greater than or equal to zero over the entire measurement period. At the in 3a-3c shown current signal 300 for the sake of simplicity, no corresponding offset addition is shown.

Anschließend kann das Stromsignal geglättet werden, zum Beispiel durch die Glättungsschaltung 136. Hierdurch kann beispielsweise das Einbrechen des Stromsignals 300 aufgrund der Pulsweitenmodulation kompensiert werden, etwa indem das Stromsignal 300 durch einen Kondensator in der Kompensationsschaltung 138 wie oben beschrieben gepuffert wird. Das kompensierte Stromsignal 302 ist mit höherer Auflösung in 3b zusammen mit dem ursprünglichen Stromsignal 300 dargestellt. Wird der Antriebsstrom durch die Pulsweitenmodulation unterbrochen, kann der Kondensator die Ausgangsspannung der Kompensationsschaltung 138, die dem kompensierte Stromsignal 302 entspricht, kurzfristig aufrechterhalten. Während einer solchen Unterbrechung kann das kompensierte Stromsignal 302 durch Entladen des Kondensators langsam abfallen. Für eine ausreichende Kompensation kann die Kapazität des Kondensators wie oben beschrieben beispielsweise an die PWM-Frequenz und einen effektiven Widerstand der auf die Kompensationsschaltung 138 folgenden Schaltungen angepasst sein.The current signal can then be smoothed, for example by the smoothing circuit 136 . In this way, for example, the breaking in of the current signal 300 due to the pulse width modulation can be compensated, for example by the current signal 300 through a capacitor in the compensation circuit 138 is buffered as described above. The compensated current signal 302 is in with higher resolution 3b along with the original current signal 300 shown. If the drive current is interrupted by the pulse width modulation, the capacitor can output the compensation circuit 138 that the compensated current signal 302 corresponds, maintained in the short term. During such an interruption, the compensated current signal can 302 slowly fall off by discharging the capacitor. For a sufficient compensation, the capacitance of the capacitor can, as described above, for example to the PWM frequency and an effective resistance to the compensation circuit 138 following circuits.

Das Glätten des Stromsignals in Schritt 208 kann zudem das Filtern des Stromsignals durch einen zweiten Tiefpassfilter, zum Beispiel den zweiten Tiefpassfilter 140, mit einer zweiten Grenzfrequenz umfassen, beispielsweise um nach der Kompensation der Pulsweitenmodulation verbleibende Schwankungen des kompensierten Stromsignals 302 zu verringern. Um die langsame Modulation des Stromsignals 302 nicht zu unterdrücken, kann die zweite Grenzfrequenz so gewählt werden, dass sie größer oder gleich einer charakteristischen Frequenz ist, die beispielsweise der bei einer Nenndrehzahl des Elektromotors erwarteten charakteristischen Modulationsfrequenz entsprechen kann. Um eine effektive Unterdrückung der verbleibenden durch die Pulsweitenmodulation induzierten Schwankungen zu gewährleisten, kann die zweite Grenzfrequenz zugleich so gewählt werden, dass sie kleiner als die PWM-Frequenz ist. Ein Beispiel für ein geglättetes Stromsignal 304 ist ebenfalls in 3b dargestellt. Das geglättete Stromsignal 304 weist wie die Stromsignale 300 und 302 eine langsame Modulation auf, während die Auswirkungen der Pulsweitenmodulation fast vollständig unterdrückt sind.Smoothing the current signal in step 208 can also filter the current signal through a second low-pass filter, for example the second low-pass filter 140 , with a second cut-off frequency, for example around fluctuations of the compensated current signal remaining after the compensation of the pulse width modulation 302 to reduce. To slow modulation of the current signal 302 not to suppress, the second cut-off frequency can be selected such that it is greater than or equal to a characteristic frequency, which can correspond, for example, to the characteristic modulation frequency expected at a nominal speed of the electric motor. In order to ensure effective suppression of the remaining fluctuations induced by the pulse width modulation, the second cut-off frequency can also be used be selected so that it is lower than the PWM frequency. An example of a smoothed current signal 304 is also in 3b shown. The smoothed current signal 304 points like the current signals 300 and 302 slow modulation while the effects of pulse width modulation are almost completely suppressed.

Bei dem in 1a gezeigten Elektromotor 102 mit zwei Schleifkontakt 114 und drei Lamellen 112 erfolgen zum Beispiel sechs Kommutierungsschritte während jeder Umdrehung des Rotors 106. Bei einer Nenndrehzahl von 5000 Umdrehungen pro Minute ist somit eine charakteristische Modulationsfrequenz von 500 Hz zu erwarten. Wird die Pulsweitenmodulation mit einer Frequenz von 25 kHz durchgeführt, kann beispielsweise eine zweite Grenzfrequenz von 3 kHz gewählt werden.At the in 1a shown electric motor 102 with two sliding contacts 114 and three slats 112 for example, six commutation steps take place during each revolution of the rotor 106 . At a nominal speed of 5000 revolutions per minute, a characteristic modulation frequency of 500 Hz can be expected. If the pulse width modulation is carried out at a frequency of 25 kHz, a second limit frequency of 3 kHz can be selected, for example.

In Schritt 210 kann aus dem Verlauf des Stromsignals ein zeitlich gemittelter Verlauf des Stromsignals bestimmt werden. Hierzu kann beispielsweise das geglättete Stromsignal 304 durch die Tiefpassschaltung 143 mit dem ersten Tiefpassfilter mit der ersten Grenzfrequenz gefiltert werden, wodurch sich wie in 3c beispielhaft gezeigt ein zeitlich gemitteltes Stromsignal 306 ergibt. Die erste Grenzfrequenz ist bevorzugt kleiner als die charakteristische Frequenz, um die langsame Modulation des geglätteten Stromsignals 304 zumindest teilweise zu unterdrücken. Im zuvor beschriebenen Beispiel kann die erste Grenzfrequenz beispielsweise 100 Hz betragen. Das zeitlich gemittelte Stromsignal 306 kann durch das Filtern eine Phasenverschiebung im Vergleich zu dem geglätteten Stromsignal 304 aufweisen, so dass eine verbleibende langsame Modulation gegenüber der langsamen Modulation des geglätteten Stromsignals 302 verschoben sein kann.In step 210 a time-averaged course of the current signal can be determined from the course of the current signal. For this purpose, for example, the smoothed current signal 304 through the low pass circuit 143 are filtered with the first low-pass filter with the first cut-off frequency, as a result of which, as in 3c shown by way of example a current signal averaged over time 306 results. The first cut-off frequency is preferably lower than the characteristic frequency by the slow modulation of the smoothed current signal 304 suppress at least partially. In the example described above, the first cut-off frequency can be 100 Hz, for example. The time-averaged current signal 306 can filter out a phase shift compared to the smoothed current signal 304 have, so that a remaining slow modulation compared to the slow modulation of the smoothed current signal 302 may have been moved.

Der Verlauf des Stromsignals während des Messzeitraums wird in Schritt 212 mit dem zeitlich gemittelten Verlauf des Stromsignals verglichen. Hierzu können beispielsweise das geglättete Stromsignal 304 und das zeitlich gemitteltes Stromsignal 306 an verschiedene Eingänge der Komparatorschaltung 144 angelegt werden. Wie oben beschrieben, kann die Komparatorschaltung ein Komparatorsignal ausgeben, dass auf dem Vergleich der beiden Signale basiert, gegebenenfalls unter Berücksichtigung einer Schwankungsbreite durch eine geeignete Schalthysterese der Komparatorschaltung. Das Komparatorsignal kann zum Beispiel einen ersten Ausgabewert annehmen, wenn das geglättete Stromsignal 304 größer als das zeitlich gemittelte Stromsignal 306 ist, und einen zweiten Ausgabewert, wenn das geglättete Stromsignal 304 kleiner als das zeitlich gemittelte Stromsignal 306 ist. In dem in 3c gezeigten Beispiel treten vier Intervalle 308 auf, innerhalb derer das geglättete Stromsignal 304 das zeitlich gemittelte Stromsignal 306 übersteigt.The course of the current signal during the measurement period is shown in step 212 compared with the time-averaged course of the current signal. For this purpose, for example, the smoothed current signal 304 and the time-averaged current signal 306 to different inputs of the comparator circuit 144 be created. As described above, the comparator circuit can output a comparator signal that is based on the comparison of the two signals, possibly taking into account a fluctuation range by means of a suitable switching hysteresis of the comparator circuit. The comparator signal can take on a first output value, for example, when the smoothed current signal 304 larger than the time-averaged current signal 306 and a second output value when the smoothed current signal 304 less than the time-averaged current signal 306 is. In the in 3c shown example occur four intervals 308 on within which the smoothed current signal 304 the time-averaged current signal 306 exceeds.

Anhand des in Schritt 212 durchgeführten Vergleichs wird in Schritt 214 die Drehzahl des Rotors 106 bestimmt, beispielsweise durch den Mikrocontroller 146, der das Komparatorsignal der Komparatorschaltung 144 erhalten kann. Der Mikrocontroller 146 kann zum Beispiel ermitteln, wie viele Intervalle 308, in denen das geglättete Stromsignal 304 größer als das zeitlich gemittelte Stromsignal 306 ist, innerhalb des Messzeitraums auftreten. Hierzu kann der Mikrocontroller 146 beispielsweise die Anzahl der Sprünge des Komparatorsignals zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgabewert ermitteln. Aus der Zahl der Intervalle 308 innerhalb des Messzeitraums kann der Mikrocontroller 146 eine Frequenz der Intervalle 308 berechnen, zum Beispiel indem die Anzahl der Intervalle durch die Länge des Messzeitraums oder durch die Zeit zwischen dem Beginn des in der zeitlichen Abfolge ersten Intervalls 308 und dem Ende des Messzeitraums geteilt wird. Die berechnete Frequenz der Intervalle 308 kann der charakteristischen Modulationsfrequenz entsprechen. In einem anderen Beispiel kann der Mikrocontroller 146 dazu eingerichtet sein, die Frequenz der Intervalle 308 mittels einer Fourier-Transformation, insbesondere einer diskreten Fourier-Transformation (fast Fourier transform, FFT) des Komparatorsignals, des geglätteten Stromsignals 304 und/oder des zeitlich gemittelten Stromsignals 306 zu bestimmen.Using the step 212 comparison is carried out in step 214 the speed of the rotor 106 determined, for example by the microcontroller 146 which the comparator signal of the comparator circuit 144 can get. The microcontroller 146 can, for example, determine how many intervals 308 in which the smoothed current signal 304 larger than the time-averaged current signal 306 occurs within the measurement period. The microcontroller can do this 146 for example, determine the number of jumps in the comparator signal between the first and the second output value. From the number of intervals 308 the microcontroller can be used within the measurement period 146 a frequency of the intervals 308 calculate, for example, by the number of intervals by the length of the measurement period or by the time between the beginning of the first interval in the chronological order 308 and shared at the end of the measurement period. The calculated frequency of the intervals 308 can correspond to the characteristic modulation frequency. In another example, the microcontroller 146 to be set up the frequency of the intervals 308 by means of a Fourier transform, in particular a discrete Fourier transform (fast Fourier transform, FFT) of the comparator signal, of the smoothed current signal 304 and / or the time-averaged current signal 306 to determine.

Aus der berechneten Frequenz der Intervalle 308 kann die Drehzahl des Rotors 106 bestimmt werden, beispielsweise durch Division durch den motorabhängigen Skalierungsfaktor. Alternativ kann die Frequenz der Intervalle 308 mit Hilfe einer im Voraus bestimmten Kalibrierung in die Drehzahl umgerechnet werden, wobei die Kalibrierung anhand einer Kalibrierungsmessung eine anderweitig ermittelte Drehzahl des Rotors 106 mit einer Frequenz der Intervalle 308 verknüpft.From the calculated frequency of the intervals 308 can the speed of the rotor 106 can be determined, for example by division by the motor-dependent scaling factor. Alternatively, the frequency of the intervals 308 can be converted into the rotational speed with the aid of a calibration determined in advance, the calibration using a calibration measurement to determine a differently determined rotational speed of the rotor 106 with a frequency of intervals 308 connected.

Die beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsformen und die Figuren dienen nur zur rein beispielhaften Illustration. Die Erfindung kann in ihrer Gestalt variieren, ohne dass sich das zugrundeliegende Funktionsprinzip ändert. Der Schutzumfang des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich allein aus den folgenden Ansprüchen.The described embodiments according to the invention and the figures serve only for illustration purposes only. The shape of the invention can vary without changing the basic operating principle. The scope of protection of the method according to the invention and the device according to the invention results solely from the following claims.

BezugszeichenlisteReference list

100 -100 -: Vorrichtung mit einem Elektromotor und einer SteuereinheitDevice with an electric motor and a control unit
102 -102 -: ElektromotorElectric motor
104 -104 -: Statorstator
106 -106 -: Rotorrotor
108 -108 -: PermanentmagnetPermanent magnet
110 -110 -: AntriebsspulenDrive coils
112 -112 -: LamellenSlats
114 -114 -: SchleifkontaktSliding contact
116 -116 -: SteuereinheitControl unit
118 -118 -: SpannungsversorgungPower supply
120 -120 -: DrehzahlmesserTachometer
122 -122 -: ErdungskontaktEarth contact
124 -124 -: Shunt-WiderstandShunt resistance
126 -126 -: MessgerätMeasuring device
128 -128 -: Eingang des DrehzahlmessersTachometer input
130 -130 -: Erdung des Drehzahlmessers Ground the tachometer
132 -132 -: HochpassschaltungHigh pass circuit
134 -134 -: SpannungsteilerschaltungVoltage divider circuit
136 -136 -: GlättungsschaltungSmoothing circuit
138 -138 -: KompensationsschaltungCompensation circuit
140 -140 -: Zweiter TiefpassfilterSecond low pass filter
141 -141 -: TiefpassfilterLow pass filter
142 -142 -: TiefpassfilterLow pass filter
143 -143 -: Tiefpassschaltung (erster Tiefpassfilter)Low pass circuit (first low pass filter)
144 -144 -: KomparatorschaltungComparator circuit
146 -146 -: Mikrocontroller Microcontroller
200 -200 -: Verfahren zur DrehzahlbestimmungSpeed determination procedure
202 -202 -: Bestimmen des StromsignalsDetermine the current signal
204 -204 -: AC-FilterAC filter
206 -206 -: Addieren des vordefinierten OffsetsAdd the predefined offset
208 -208 -: Glätten des StromsignalsSmooth the current signal
210 -210 -: Bilden des zeitlich gemittelten Verlaufs des StromsignalsForm the time-averaged course of the current signal
212 -212 -: Vergleichen des Verlaufs des Stromsignals mit dem zeitlich gemittelten VerlaufComparing the course of the current signal with the time-averaged course
214 -214 -: Bestimmen der Drehzahl des RotorsDetermine the speed of the rotor
300 -300 -: Verlauf des AntriebsstromsCourse of the drive current
301 -301 -: Dauer zwischen aufeinander folgenden KommutierungsschrittenDuration between successive commutation steps
302 -302 -: Verlauf des Antriebsstroms nach Kompensation der PulsweitenmodualtionCourse of the drive current after compensation of the pulse width modulation
304 -304 -: Verlauf des Antriebsstroms nach zusätzlichem Filtern durch einen TiefpassfilterCourse of the drive current after additional filtering through a low-pass filter
306 -306 -: Zeitlich gemittelter Verlauf des StromsignalsTime-averaged course of the current signal
308 -308 -: Intervalle mit Abweichung in vordefinierte RichtungIntervals with deviation in a predefined direction

Claims

Method for determining the speed of a rotating rotor (106) of an electric motor (102) with the following steps: Determining a current signal during a measurement period, the current signal characterizing a current through the electric motor (102); Comparing the course of the current signal during the measurement period with a time-averaged course of the current signal; and Determining the speed of the rotor (106) on the basis of the comparison between the course of the current signal during the measurement period and the time-averaged course of the current signal.

Procedure according to Claim 1 , wherein for the comparison a number of intervals (308) is determined within the measurement period during which the current signal deviates from the time-averaged course of the current signal in a predefined direction; and the rotational speed of the rotor (106) is determined from the frequency of the intervals (308), the frequency corresponding to the ratio of the number of intervals (308) within the measurement period and the length of the measurement period.

Procedure according to Claim 1 or 2nd , which additionally comprises the following step: determining the time-averaged profile of the current signal by filtering the current signal with a first low-pass filter with a first cut-off frequency, the first cut-off frequency being less than a characteristic frequency which characterizes a nominal speed of the electric motor (102).

Method according to one of the preceding claims, wherein determining the current signal comprises filtering out a constant offset.

Method according to one of the preceding claims, wherein determining the current signal comprises adding a predefined offset.

Method according to one of the preceding claims, wherein the determination of the current signal comprises smoothing the current signal by a second low-pass filter (140) with a second cut-off frequency and / or by compensation of pulse width modulation of a drive signal of the electric motor.

Procedure according to Claim 6 , the second cutoff frequency being greater than or equal to characteristic frequency and less than a frequency of the pulse width modulation.

Procedure according to one of the Claims 2 - 7 , wherein the current signal deviates from the time-averaged course of the current signal by more than a predefined fluctuation range during the intervals.

Method according to one of the preceding claims, wherein the current through the electric motor (102) is a drive current.

Method according to one of the preceding claims, which additionally comprises the following steps: Regulating a drive signal of the electric motor (102) depending on the determined speed and a target speed.

Method according to one of the preceding claims, which additionally comprises the following step: Regulating a drive signal of a second electric motor depending on the determined speed.

Device (100) with a control unit (116) and an electric motor (102), the electric motor (102) comprising a rotor (106), characterized in that the control unit (116) comprises a tachometer (120) which is set up for this , a method for determining the speed according to one of the Claims 1 to 11 to execute.

Device (100) after Claim 12 , wherein the rotor (106) comprises a drive coil (110) which is connected to a voltage supply (118) via sliding contacts (114), the sliding contacts (114) being set up to dependent on a drive signal provided by the voltage supply (118) to commutate the rotor position.

Device (100) after Claim 12 or 13 , wherein the tachometer (120) comprises a comparator circuit (144) which is set up to compare the current signal with a time-averaged current signal and to output a comparator signal based on the comparison.

Device (100) after Claim 14 , wherein the comparator circuit (144) has a switching hysteresis.

Device (100) according to one of the Claims 14 - 15 , wherein the tachometer comprises a microcontroller (146) which is set up to determine from the comparator signal the number of intervals (308) within which the current signal deviates from the time-averaged course of the current signal in the predefined direction.

Device (100) according to one of the Claims 12 - 16 , wherein the tachometer (120) comprises a low-pass circuit (143) which contains the first low-pass filter and is set up to generate the time-averaged current signal from the current signal, the time-averaged current signal characterizing the time-averaged course of the current signal.

Device (100) according to one of the Claims 12 - 17th , wherein the tachometer (120) comprises a high pass circuit (132) which is set up to filter out a constant offset from the current signal.

Device (100) according to one of the Claims 12 - 18th wherein the tachometer (120) comprises a voltage divider circuit (134) configured to add a predefined offset to the current signal.

Device (100) according to one of the Claims 12 - 19th , wherein the tachometer (120) comprises a smoothing circuit (136), which is configured to smooth the current signal, and the second low-pass filter (140) and / or a compensation circuit (138), wherein the compensation circuit (138) comprises a capacitor and contains a diode and is set up to compensate for the pulse width modulation of the current signal.

Device after Claim 20 , wherein the second low-pass filter comprises two low-pass filters (141, 142) arranged in series.

Device (100) according to one of the Claims 12 - 21 , which additionally comprises a shunt resistor (124) in a drive power line, the tachometer (120) being set up to determine the current signal from the drive current via the shunt resistor (124).

Device (100) according to one of the Claims 12 - 22 , The control unit (116) being set up to regulate a drive signal of the electric motor (102) as a function of the determined speed and a target speed.

Device (100) according to one of the Claims 12 - 23 which additionally comprises a second electric motor, the control unit (116) being set up to regulate a drive signal of the second electric motor as a function of the determined speed.

Device after Claim 24 , wherein the first electric motor (102) is set up to drive a pump, and the second electric motor is set up to operate a valve, in particular a Directional control valve to be adjusted, the valve being located in an outlet line of the pump.