DE19807253C1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Drehzahlerfassung von elektronisch kommutierten Lüftern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsan­ ordnung zur Drehzahlerfassung von elektronisch kommutierten Lüftern gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 5.

Netzteile höherer Leistung brauchen zu ihrer Kühlung elektro­ nisch kommutierte Lüfter. Elektronisch kommutierte Lüfter verursachen auf ihren Stromversorgungsleitungen Stromschwan­ kungen, die von Lüfter zu Lüfter und nicht nur von Lüftertyp zu Lüftertyp variieren. Zur Kontrolle und zum Regeln der Lüf­ ter ist es notwendig, die Drehzahl der Lüfter elektronisch zu erfassen, um daraus ein Taktsignal mit einer pro Zeiteinheit entsprechenden Anzahl von Taktimpulsen abzuleiten.

Bekannt ist, Speziallüfter zu verwenden, die ein internes Taktsignal der elektronischen Kommutierung über eine zusätz­ liche Leitung als ein oben angesprochenes Taktsignal nach au­ ßen führen (Papst-Katalog Gerätelüfter Equipment Fans, 94/95, Fa. Papst-Motoren GmbH & Co KG, Karl-Maier-Straße 1, D-78112 St. Georgen/Schwarzwald, Postfach 1435, Kapitel "Gerätelüfter für Gleichspannung" und "Varianten"). Nachteilig ist, dass solche Speziallüfter teuer sind.

Es ist daneben bekannt, die von einem Lüfter verursachten Stromschwankungen über einen Strommesswiderstand zu erfassen, über einen Hochpass auszufiltern und anschließend einem Im­ pulsformer zur Formung der Taktimpulse des oben angesproche­ nen Taktsignals zuzuführen (DE 26 17 131 C3). Nachteilig ist, dass die Höhe und die Form der vom Lüfter verursachten Strom­ schwankungen auf ihren Stromversorgungsleitungen von Lüfter zu Lüfter so ausgeprägt unterschiedlich sind, dass eine je­ weilige Anpassung an einen Lüfter notwendig ist.

Außerdem ist aus DE 196 01 040 A1 ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Drehzahlerfassung von elektronisch kommutierten Lüfern, deren Drehzahl durch ein Taktsignal mit einer pro Zeiteinheit entsprechenden Anzahl von Taktimpulsen angezeigt wird, und ist aus der DE-Firmenschrift: "Motor Con­ trol Seminar 1986", Seite E15, SGS Halbleiter Bauelemente GmbH, April 1986 bekannt, aus maximalen Stromsteilheiten von durch Lüftern auf den Stromversorgungsleitungen in Abhängig­ keit von der Drehzahl verursachten Stromschwankungen zu mes­ sen und daraus Taktsignale für eine Drehzahlinformation abzu­ leiten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Ver­ fahren und eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, durch die die Drehzahlerfassung von elektro­ nisch kommutierten Lüftern kostengünstig und in einfacher Weise durchführbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren ge­ löst, das die im Anspruch 1 angegebenen Verfahrensschritte aufweist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß auch durch eine Schaltungsanordnung gelöst, die die im Anspruch 5 angegebenen Merkmale aufweist.

Mit dem Verfahren bzw. der Schaltungsanordnung erübrigen sich teure Speziallüfter, so dass die Drehzahlerfassung kosten­ günstig durchgeführt werden kann. Es erübrigt sich darüber­ hinaus die jeweiligen Anpassungsmaßnahmen an einen verwende­ ten Lüfter, so dass die Drehzahlerfassung ebenso in einfacher Weise durchgeführt werden kann. Es können sogenannte Normal­ lüfter aller Art verwendet werden. Die Anpassung an einen je­ weiligen Lüfter erfolgt automatisch.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Empirische Messungen an einer Vielzahl unterschiedlicher Lüf­ ter und Lüftertypen haben gezeigt, dass die von ihnen auf ih­ ren Stromversorgungsleitungen verursachten Stromschwankungen in der Regel mit wesentlich stärkeren negativen als positiven Stromsteilheiten auftreten. Die Drehzahlerfassung basierend auf den negativen Stromsteilheiten der Stromschwankungen er­ möglichen daher genauere Ergebnisse. Aber auch bei den rela­ tiv wenigen Lüftern bzw. Lüftertypen, bei denen die positiven Stromsteilheiten gegenüber den negativen Stromsteilheiten stärker ausgeprägt sind, sind die negativen Stromsteilheiten aber immer noch zumindest so stark ausgeprägt, dass stets eine sichere und genaue Erfassung der Drehzahl der Lüfter zu gewährleisten ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden daher die negativen Stromsteilheiten der von einem Lüfter auf seinen Stromversorgungsleitungen verur­ sachten Stromschwankungen zur Drehzahlauswertung herangezo­ gen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird nicht nur der Verstärkungsbereich und die Schaltschwelle eines Komparators, sondern auch die ermittelten maximalen ne­ gativen Stromsteilheiten in einem entsprechenden Verhältnis angepasst, wodurch erreicht wird, dass die Vorkehr zur Dreh­ zahlerfassung sofort wieder einen eingeschwungenen Zustand einnimmt.

Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die automatische Anpassung in diskreten Schritten. Der Realisierungsaufwand ist dadurch geringer als bei einer kontinuierlichen Anpassung.

Die vorgenannten Überlegungen treffen dabei sowohl auf das Verfahren, als auch auf die Schaltungsanordnung zu.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zur Drehzahlerfassung von elektronisch kommutierten Lüftern gemäß der Erfin­ dung in Prinzipdarstellung, und

Fig. 2 ein Diagramm von von einem Lüfter auf seinen Strom­ versorgungsleitungen verursachten Stromschwankungen als Ausgangspunkt für eine Drehzahlerfassung mittels einer Schaltungsanordnung gemäß der Fig. 1.

In einem Leistungspfad der Fig. 1, der zwischen einem Strom­ versorgungspunkt U_DC und einem Massebezugspunkt M geschaltet ist, sind in Serie ein elektronisch kommutierter Lüfter L, nachfolgend auch nur Lüfter L genannt, und ein Strommesswi­ derstand SMW angeordnet. Der Pfad umfasst die dem Lüfter L zugehörigen Stromversorgungsleitungen, auf denen der Lüfter­ strom I_L fließt.

Aufgrund der elektronischen Kommutierung des Lüfters L weist der Lüfterstrom I_L Schwankungen auf, die in der Fig. 2 in einem Diagramm qualitativ dargestellt sind. Das Diagramm ist in der Weise zu lesen, dass der Lüfterstrom einen über einen längeren Zeitraum im wesentlichen konstanten Gleichanteil aufweist, der von den sehr schnellen Stromschwankungen über­ lagert ist. Die Stromschwankungen werden durch die Kommutie­ rung der Motorwicklungen des Lüfters hervorgerufen. Stellver­ tretend für die sich wiederholenden Zeitpunkte der Kommutie­ rung sind in der Fig. 2 die Zeitpunkte t_n, t_n+1 und t_n+2 näher gekennzeichnet. Zu diesen Zeitpunkten findet eine Kommutie­ rung statt, wodurch der Lüfterstrom zunächst sehr rasch und stark abnimmt. Anschließend steigt er in einer etwas flache­ ren Kurve wieder an und erfährt sogar einen Überschwinger. Im weiteren Verlauf nimmt der Lüfterstrom erneut ab, aber in ei­ nem längeren Zeitraum. Schließlich steigt er wieder in einem noch längeren Zeitraum an, bis dann die nächste Kommutierung erfolgt und sich die Vorgänge wiederholen.

Die Abstände zwischen den einzelnen Zeitpunkten der Kommutie­ rung, beispielsweise der Zeitpunkte t_n, t_n+1 und t_n+2, hängt da­ bei direkt von der augenblicklich gültigen Drehzahl des Lüf­ ters ab. Je schneller der Lüfter dreht, um so kürzer sind die Abstände bzw. je mehr solcher Zeitpunkte treten pro Zeitein­ heit auf. Außerdem verändern sich die Stromsteilheiten der Stromschwankungen.

Die Kurvenverläufe und die Anzahl der Kommutierungszeitpunkte pro Zeiteinheit hängen auch vom Aufbau der Motorwicklung des Lüfters ab. Manche Lüftermotore weisen mehr, andere weniger Pole auf. Jede Motorwicklung muss während einer Umdrehung je nach Ausführung ein- oder mehrmals kommutiert werden, so dass die Anzahl von Kommutierungszeitpunkten je Umdrehung unabhän­ gig von der Drehzahl des Lüftermotors auch von der Pol- und Wicklungszahl des Lüftermotors abhängt. Es gibt aber zwischen zwei Kommutierungszeitpunkten immer einen abgegrenzten Zeit­ bereich, der mindestens einen zur Genüge ausgeprägten negati­ ven Stromabfall mit einer örtlich maximalen Stromsteilheit aufweist.

Durch den Strommesswiderstand SMW ist es möglich, an einem Punkt zwischen dem Strommesswiderstand SMW und dem Lüfter L eine Strommesswiderstandsspannung U_SMW abzugreifen, die die in Fig. 2 dargestellten Vorgänge als Spannung darstellen. Diese Spannung wird von einem Tiefpassfilter und Verstärker TFV ab­ gegriffen und als eine Eingangsspannung U_in über einen Ein­ gangskondensator C_d an eine nachfolgend näher erklärte Dreh­ zahlerfassungsschaltung weitergeleitet.

Die Drehzahlerfassungsschaltung weist einen Operationsver­ stärker OP mit einem Minus- und einem Pluseingang auf. Am Pluseingang ist eine Referenzspannung U_ref angeschlossen, wäh­ rend am Minuseingang die über den Eingangskondensator C_d ge­ leitete Eingangsspannung U_in anliegt.

Der Ausgang und der Minuseingang des Operationsverstärkers OP sind auf zwei parallelen Wegen verbunden. In dem einen Weg ist eine Serienschaltung bestehend aus zwei Widerständen R1 und R2 angeordnet. In dem anderen Weg ist eine Diode D ange­ ordnet, die in der Weise gepolt ist, dass sie vom Minusein­ gang zum Ausgang jeweils des Operationsverstärkers OP in Durchlassrichtung geschaltet ist.

Der Ausgang des Operationsverstärkers OP ist einerseits mit einem Pluseingang eines Komparators K und andererseits mit einem Eingang eines Spitzenwertgleichrichters SG verbunden. Ein Ausgang des Spitzenwertgleichrichters SG ist weiter über einen Widerstand R7 mit einem Minuseingang des Komparators K und mit einem Pluseingang eines Abwärtskomparators ABK sowie mit einem Minuseingang eines Aufwärtskomparators AUFK verbun­ den.

Der Abwärtskomparator ABK und der Aufwärtskomparator AUFK ist in der Weise mit einer Serienschaltung bestehend aus drei Wi­ derständen W15a, W70 und W15b verbunden, dass ein Minusein­ gang des Abwärtskomparators ABK zwischen den Widerständen W15a und W70 und ein Pluseingang des Aufwärtskomparators AUFK zwischen den Widerständen W70 und W15b angeschlossen ist.

Die aus den drei Widerständen W15a, W70 und W15b bestehende Serienschaltung ist an einem Ende an eine Versorgungsspannung V_cc und an einem anderen Ende an die Referenzspannung U_ref an­ geschlossen.

Der Minuseingang des Komparators K ist neben dem Widerstand R7 mit einem Widerstand R6 verbunden, an den die Referenz­ spannung U_ref angeschlossen ist. Ein Ausgang des Komparators K ist mit einem Impulsformer IF verbunden, an dessen Ausgang eine Ausgangsspannung U_out abgegriffen werden kann.

Jeweils ein Ausgang des Abwärtskomparators ABK und des Auf­ wärtskomparators AUFK ist mit einem Eingang eines Auf- /Abwärtszählers AAZ verbunden. Der Auf-/Abwärtszähler AAZ weist vier Zählausgänge Q0, Q1, Q2 und Q3 auf, von denen die drei höherwertigen mit einem jeweiligen Schalter S1, S2 und S3 zu deren Steuerung verbunden sind.

Die auf einen Punkt zwischen den Widerständen R1 und R2 ge­ schalteten Schalter S1, S2 und S3 teilen über R1 und jewei­ lige Widerstände R3, R4 und R5 die Ausgangsspannung U_diff des Operationsverstärkers OP bezogen auf die Referenzspannung U_ref entsprechend ihrer Werte herunter.

Der Operationsverstärker OP erzeugt eine Ausgangsspannung U_diff, deren Spitzenwert von dem Spitzenwertgleichrichter SG zu einer Ausgangsspitzenspannung U_PK umgewandelt wird.

Der Lüfterstrom I_L wird mit dem Strommesswiderstand SMW er­ fasst. Im Tiefpassfilter und Verstärker TFV werden hochfre­ quente Störungen auf den Stromversorgungsleitungen des Lüf­ ters L beseitigt, ohne die Stromschwankungen des Lüfters L auszufiltern. Beispielsweise kann die zu filternde Grenzfre­ quenz bei 10 kHz festgelegt sein.

Nach dem Tiefpassfilter und Verstärker TFV wird die negative Stromsteilheit des Lüfterstroms I_L mit dem Eingangskondensa­ tor C_d, dem Operationsverstärker OP und den Widerständen R1 und R2 erfasst. Mit der Summe R = R1 + R2 der Einzelwiderstände R1 und R2, sowie mit ausgeschalteten Schaltern S1, S2 und S3 ergibt sich allgemein eine Ausgangsspannung U_diff gemäß der Beziehung:

U_diff = (-R . C_d . dU_in/dt)

Der Spitzenwert der Ausgangsspannung U_diff wird danach als Ausgangsspitzenspannung U_PK erfasst und ein fest eingestell­ ter Anteil davon dem Komparator K als Vergleichswert vorgege­ ben. Durch Vergleich mit der Ausgangsspannung U_diff werden nun die höchsten periodisch wiederkehrenden Stromsteilheiten zu einem Ausgangsimpuls führen. Die Summe der Ausgangsimpulse können als Taktsignal, die einzelnen Ausgangsimpulse als Taktimpuls aufgefasst werden.

Wie eingangs erwähnt, sind die Stromsteilheiten der einzelnen Lüfter untereinander sehr unterschiedlich. Sie können im Ex­ tremfall um den Faktor 1000 variieren. Bei einem Lüfter mit niedriger Stromsteilheit wird die Ausgangsspitzenspannung U_PK sehr niedrig sein. Beispielsweise kann sie kleiner als 15% der Differenz aus der Versorgungsspannung V_cc und der Refe­ renzspannung U_ref sein. Die Ausgangsspitzenspannung U_PK hat aber einen intern fest eingestellten Minimalwert, der um min­ destens einen positiven Störpegel auf der Ausgangsspannung U_diff bezogen auf die Referenzspannung U_ref oberhalb der Refe­ renzspannung U_ref liegt.

Der Auf-/Abwärtszähler AAZ zählt nun um 1 aufwärts, das heißt, er schaltet von seinem Zählausgang Q0 auf seinen Zählausgang Q1. Der Schalter S1 schaltet ein. Damit entsteht aus den Widerständen R1 und R3 ein Teiler. Es wird nur noch ein Teil der Ausgangsspannung U_diff auf den Widerstand R2 ge­ schaltet. Dies erhöht die Gesamtverstärkung des um den Opera­ tionsverstärker OP herum als Differentiator wirkenden Schal­ tungsteils. Mit ratio = Spannungsteilerverhältnis aus den Wi­ derständen R2 und R3 (parallel) und R1 im Eingang des Opera­ tionsverstärkers OP ergibt sich folgende Verstärkung der Ein­ gangssteilheit:

U_diff = (-R2 . C_d . dU_in/dt . 1/ratio).

Die Erhöhung der Verstärkung wird nun kleiner gewählt als das Verhältnis der Schaltschwellen für die Auf-/Abwärts-Kompara­ toren ABK, AUFK. Dies verhindert ein andauerndes Hin- und Herschalten.

Im Ausführungsbeispiel könnte der Faktor 4 gewählt sein. Zum gleichen Zeitpunkt wird die Ausgangsspitzenspannung U_PK des Spitzenwertgleichrichters SG um den gleichen Faktor erhöht, um sofort wieder einen eingeschwungenen Zustand zu erhalten.

Wenn die Verstärkung noch nicht ausreichend ist, wird nach einer vorgegebenen Einschwingzeit der nächste Schalter S2, und eventuell danach zusätzlich noch der weitere Schalter S3 eingeschaltet. Gleichzeitig wird wieder die Ausgangsspitzen­ spannung U_PK an die neuen Verstärkungsverhältnisse angepasst. Der als Differentiator wirkende Schaltungsteil arbeitet nun in einem optimalen Arbeitsbereich.

Wenn z. B. durch eine Betriebsspannungserhöhung am Lüfter L die Stromsteilheiten zunehmen und die Ausgangsspitzenspannung U_PK sehr hoch wird, z. B. größer 85% der Differenz aus der Versorgungsspannung V_cc und der Referenzspannung U_ref, wird der Abwärtskomparator ABK durchschalten. Der Auf- /Abwärtszähler AAZ zählt um 1 abwärts, also z. B. von seinem Zählausgang Q3 auf seinen Zählausgang Q2. Dadurch wird die Gesamtverstärkung reduziert und die Ausgangsspannung U_diff be­ findet sich wieder im optimalen Arbeitsbereich. Gleichzeitig wird wieder die Ausgangsspitzenspannung U_PK an die neuen Ver­ stärkungsverhältnisse angepasst. Die Ausgangsspannung U_diff kann insgesamt wieder vom Komparator K in der richtigen Weise erfasst werden.

Die Verstärkungsfaktoren sind jeweils gleichmäßig untereinan­ der abgestuft. Im Ausführungsbeispiel stoppt der Auf- /Abwärtszähler AAZ beim aufwärts Zählen spätestens dann, wenn der Zählausgang Q3 aktiviert ist. Er stoppt beim abwärts Zählen dann, wenn der Zählausgang Q0 aktiviert ist.

Die Diode D stellt für positive Stromsteilheiten eine sehr niedrige Verstärkung ein.

Der Impulsformer IF unterdrückt Doppelimpulse beispielsweise bei unsauberen Kommutierungsimpulsen des Lüfters L.

Die Erhöhung bzw. Erniedrigung der Ausgangsspitzenspannung U_PK ist besonders einfach, wenn der Spitzenwertgleichrichter SG seine Ausgangsspitzenspannung U_PK digital in Form eines Zählerstandes speichert und der Einstellungsfaktor eine posi­ tive oder negative Potenz von 2, also z. B. 4 oder ¼, ist. In diesem Fall muss der Zählerstand nur um ein oder mehrere Bit­ stellen nach rechts oder linksverschoben werden, um den In­ halt der neuen Verstärkung anzupassen.

Die beschriebene Methode der Drehzahlerfassung kann auch für Elektromotore verwendet werden, die eine ähnliche Motorstrom­ charakteristik aufweisen wie die Motore elektronisch kommu­ tierter Lüfter.

Claims (8)

1. Verfahren zur Drehzahlerfassung von elektronisch kommu­ tierten Lüftern (L), deren Drehzahl durch ein Taktsignal mit einer pro Zeiteinheit entsprechenden Anzahl von Taktimpulsen angezeigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass maxi­ male Stromsteilheiten von durch den Lüfter (L) auf seinen Stromversorgungsleitungen in Abhängigkeit von der Drehzahl verursachten Stromschwankungen gemessen werden, und dass ab­ hängig vom Ergebnis der Messungen eine automatische Anpassung eines Verstärkungsbereichs und einer Schaltschwelle eines für einen die Taktimpulse des Taktsignals formenden Impulsformers (IF) als Vorschaltstufe dienenden Komparators (K) durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, dass negative Stromsteilheiten bei den Messungen der Stromsteilheiten der durch den Lüfter (L) auf seinen Strom­ versorgungsleitungen verursachten Stromschwankungen gemessen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass jeweils entsprechend der Anpassung des Verstärkungsbereichs und der Schaltschwelle des Komparators (K) eine jeweilige entsprechende Anpassung der gemessenen ma­ ximalen Stromsteilheiten der vom Lüfter (L) auf seinen Stromversorgungsleitungen verursachten Stromschwankungen durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die automatische Anpas­ sung des Verstärkungsbereichs und der Schaltschwelle des Kom­ parators (K) in diskreten Schritten durchgeführt wird.

5. Schaltungsanordnung zur Drehzahlerfassung von elektronisch kommutierten Lüftern (L), mit Mitteln zur Erzeugung eines Taktsignals mit entsprechend der Drehzahl des Lüfters (L) pro Zeiteinheit einer entsprechenden Anzahl von Taktimpulsen, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Erfassen von maximalen Stromsteilheiten von durch den Lüfter (L) auf seinen Stromversorgungsleitungen verursachten Stromschwan­ kungen vorgesehen sind, und dass Mittel zum automatischen Anpassen eines Verstärkungsbereiches und einer Schaltschwelle eines für einen die Taktimpulse des Taktsignals formenden Impulsformers als Vorschaltstufe dienenden Komparators (K) vorgesehen sind.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Mittel zum Erfassen von Strom­ steilheiten für die Erfassung ausschließlich negativer Strom­ steilheiten ausgelegt sind.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Anpassung der erfass­ ten maximalen Stromsteilheiten entsprechend der Anpassung des Verstärkungsbereichs und der Schaltschwelle des Komparators (K) vorgesehen sind.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Anpas­ sung des Verstärkungsbereichs und der Schaltschwelle des Kom­ parators (K) sowie zur entsprechenden Anpassung der erfassten maximalen Stromsteilheiten in der Weise ausgelegt sind, dass eine jeweilige Anpassung jeweils in wenigstens einem diskre­ ten Schritt erfolgt.