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DE19823682C1 - Schaltungsanordnung zur Drehzahlerfassung elektronisch kommutierter Elektromotoren - Google Patents

Schaltungsanordnung zur Drehzahlerfassung elektronisch kommutierter Elektromotoren

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DE19823682C1
DE19823682C1 DE19823682A DE19823682A DE19823682C1 DE 19823682 C1 DE19823682 C1 DE 19823682C1 DE 19823682 A DE19823682 A DE 19823682A DE 19823682 A DE19823682 A DE 19823682A DE 19823682 C1 DE19823682 C1 DE 19823682C1
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rnb
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chain
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Peter Busch
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Fujitsu Technology Solutions GmbH
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Siemens Nixdorf Informationssysteme AG
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Abstract

Eine Schaltungsanordnung zur Drehzahlerfassung elektronisch kommutierter Elektromotoren (M), mit Mitteln zum Erfassen von Stromsteilheiten (TPV, C, OP, D, R1, R2b, R2a, T2, R3b, R3a, T3, ..., Rnb, Rna, Tn) und maximalen Stromsteilheiten (SG, Cpk, SR) jeweils von durch den Elektromotor (M) auf seinen Stromversorgungsleitungen verursachten Stromschwankungen, und mit Mitteln zum Erzeugen eines Taktsignals (Mp), weist einen selbsteinstellenden Differentiator (OP, D, R1, R2b, R2a, T2, R3b, R3a, T3, ..., Rnb, Rna, Tn) auf mit einer aus einer Widerstandkette (R1, R2b, R2a, R3b, R3a, ..., Rnb, Rna) und einer dazu parallel angeordneten Transistorkette (T2, T3, ..., Tn) bestehenden Rückkopplungsschleife, in der die Transistoren (Tn) der Transistorkette (T2, T3, ..., Tn) mit den Widerständen (Rnb, Rna) der Widerstandskette (R1, R2b, R2a, R3b, R3a, ..., Rnb, Rna) in der Weise miteinander verbunden sind, dass bis auf einen vereinzelten Basiswiderstand (z. B. R1) jeweils zwei Widerstände (z. B. Rnb, Rna) der Widerstandskette (R1, R2b, R2a, R3b, R3a, ..., Rnb, Rna) für einen Transistor (z. B. Tn) der Transistorkette (T2, T3, ..., Tn) als Kollektor-Basis- (z. B. Rnb) bzw. als Basis-Emitter-Widerstand (z. B. Rna) geschaltet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Drehzahl­ erfassung elektronisch kommutierter Elektromotoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Netzteile höherer Leistung brauchen zu ihrer Kühlung Lüfter, deren Elektromotor elektronisch kommutiert ist. Zur Kontrolle und zu Regelzwecken ist die Drehzahl des Elektromotors des Lüfters elektronisch zu erfassen.
Die elektronische Erfassung kann dabei schon innerhalb eines Speziallüfters erfolgen, der dann ein entsprechendes internes Taktsignal als Folge der elektronischen Kommutierung über eine zusätzliche Leitung nach außen führt (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"). Der Nachteil dieser Speziallüfter ist, dass für sie ein höherer Preis bezahlt werden muss.
Neben den Speziallüftern ist es möglich, die Drehzahl elek­ tronisch durch eine Drehzahlerfassungsschaltung zu erfassen, indem die vom Lüfter auf seinen Zuleitungen verursachten Stromschwankungen unter Verwendung von Strommesswiderständen ermittelt und anschließend durch einen Hochpass ausgekoppelt werden. Das erhaltene Signal wird dann über einen Impulsfor­ mer geleitet, der ein Impulssignal mit einer der Drehzahl des Lüfters multipliziert mit der Anzahl der Schaltvorgänge pro Umdrehung entsprechenden Anzahl von Impulsen pro Zeiteinheit erzeugt. Der Nachteil dieser Methode ist, dass die Amplitude und die Form der Stromschwankungen von Lüfter zu Lüfter stark unterschiedlich ist. Es ist daher jeweils eine Anpassung an den jeweils verwendeten Lüfter notwendig, um jeweils ein richtiges Impulssignal zu erzeugen.
Die Anpassung zur Erzeugung eines jeweils richtigen Impuls­ signals kann bei einer oben erwähnten Schaltungsanordnung zur Drehzahlerfassung elektronisch kommutierter Elektromotoren automatisch erfolgen. Die Anpassung erfolgt automatisch, wenn ein bei der Erzeugung des Impulssignals benötigter Differen­ tiator selbsteinstellend realisiert ist. Eine solche Reali­ sierung ist beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen 198 07 253.8 beschrieben.
Beispiele für Drehzahlerfassungsschaltungen sind aus DE ­ 32 10 134 A1 und DD 254 254 A1 bekannt.
Ein Problem besteht, wenn die Schaltungsanordnung zur Dreh­ zahlerfassung in einem IC-Baustein integriert und die Anzahl der Bauelemente möglichst klein sein soll.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Schal­ tungsanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, die mit möglichst wenigen monolithisch integrierbaren Bauelementen realisierbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst.
Danach weist die Schaltungsanordnung einen in Bezug auf seine Verstärkung automatisch einstellenden Differentiator auf, zu dessen automatischer Verstärkungseinstellung eine aus einer Widerstandskette und einer dazu parallel angeordneten Tran­ sistorkette bestehende Rückkopplungsschleife vorgesehen ist, in der die Transistoren der Transistorkette mit den Wider­ ständen der Widerstandskette in der Weise verbunden sind, dass bis auf einen Basiswiderstand jeweils zwei Widerstände der Widerstandskette für einen Transistor der Transistorkette als Kollektor-Basis- bzw. als Basis-Emitter-Widerstand ge­ schaltet sind. Die Rückkopplungsschleife ist damit auf einfa­ che Weise realisiert, so dass nur wenige Bauelemente, nämlich einige Transistoren und Widerstände, benötigt sind. Auf diese Weise kann in einem IC-Baustein Chipfläche eingespart werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen. Danach sind nur Schaltungselemente ver­ wendet, die in einem IC-Baustein integrierbar sind. Für die Spannungsreduktionsmittel können Bauelemente der Rückkopp­ lungsschleife verwendet sein, indem für eine entsprechende Verschaltung an entsprechenden Stellen der Rückkopplungs­ schleife Abgriffsmöglichkeiten realisiert sind. Dies hat ins­ besondere den Vorteil, dass innerhalb der Schaltungsanordnung ein wichtiger Gleichlauf erhalten wird, der ansonsten mögli­ cherweise gestört ist, wenn für die Realisierung der Span­ nungsreduktionsmittel unterschiedliche Bauelemente verwendet sind. Insgesamt läßt sich mit den Merkmalen der Unteransprü­ che eine Schaltungsanordnung realisieren, mit der die Dreh­ zahl eines Elektromotors elektronisch erfasst werden kann.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen
Fig. 1 eine Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung in Prinzipdarstellung, und
Fig. 2 eine beispielhafte Arbeitskennlinie des in der Fig. 1 verwendeten Differentiators.
Fig. 1 zeigt einen Elektromotor M, der ein Motor eines Lüf­ ters zur Kühlung eines elektrischen Gerätes sein kann. Das elektrische Gerät wiederum kann beispielsweise ein Personal Computer oder eine Stromversorgung für den Personal Computer sein.
Der Elektromotor M ist in einem Pfad zwischen einer positiven Motorversorgungsspannung +UM und einem Masseanschluss ange­ ordnet, wobei zwischen dem Elektromotor M und dem Massean­ schluss ein Strommesswiderstand RS angeordnet ist.
An einem Mittelabgriff zwischen dem Elektromotor M und dem Strommesswiderstand RS ist ein Tiefpassfilter und Verstärker TPV angeschlossen, der für einen nachfolgenden Schaltungsteil eine Eingangsspannung Uin liefert.
Der nachfolgende Schaltungsteil weist einen Eingangskondensa­ tor C auf, der ausgangsseitig mit einem negativen Eingang ei­ nes Operationsverstärkers OP, mit einer Anode einer Über­ brückungsdiode D und mit einem Basiswiderstand R1 verbunden ist.
Der Operationsverstärker OP ist mit einem positiven Eingang mit einer Referenzspannung Uref verbunden. Er ist mit einem Ausgang weiter mit einer Kathode der Überbrückungsdiode D, mit einem Eingang eines Spitzenwertgleichrichters SG und mit einer Schaltungskonfiguration verbunden, die für den Operati­ onsverstärker OP eine Rückkopplungsschleife ist.
Am besagten Ausgang liefert der Operationsverstärker OP eine Ausgangsspannung Udiff.
Der Spitzenwertgleichrichter SG ist einerseits mit einem Speicherkondensator Cpk und ausgangsseitig mit Spannungsre­ duktionsmittel SR verbunden. Die Spannungsreduktionsmittel SR weisen dabei mit einer positiven Seite zum Spitzenwertgleich­ richter SR.
Eine negative Seite der Spannungsreduktionsmittel SR ist mit einem negativen Eingang eines Komparators K verbunden. Ein positiver Eingang des Komparators K ist mit dem Ausgang des Operationsverstärkers OP verbunden. Ein Ausgang des Kompara­ tors K ist mit einem Impulsformer IF verbunden, der einen Ausgang aufweist, an dem ein Impulssignal Mp erzeugt ist.
Das Impulssignal Mp hat pro Zeiteinheit eine Anzahl von Ein­ zelimpulsen, die der momentanen Drehzahl des Elektromotors M multipliziert mit der Anzahl von Schaltvorgängen pro Umdrehung entspricht. Dieses Signal kann an eine Steuer- und Regelschaltung geführt sein, die die Versorgungsspannung +UM des Elektromotors M in Abhängigkeit der Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit des Impulssignals Mp zur weiteren Einstellung seiner Drehzahl steuert.
In der Rückkopplungsschleife des Operationsverstärkers OP ist eine Widerstandskette R1, R2b, R2a, R3b, R3a, ..., Rnb, Rna und parallel dazu eine Transistorkette T2, T3, ..., Tn ent­ halten. Die Transistoren Tn der Transistorkette T2, T3, ..., Tn und die Widerstände Rn der Widerstandskette R1, R2b, R2a, R3b, R3a, ..., Rnb, Rna sind in der Weise miteinander verbun­ den, dass bis auf den vereinzelten Basiswiderstand R1 jeweils zwei Widerstände z. B. Rnb, Rna der Widerstandskette R1, R2b, R2a, R3b, R3a, ..., Rnb, Rna für einen Transistor z. B. Tn der Transistorkette T2, T3, ..., Tn als Kollektor-Basis- z. B. Rna bzw. als Basis-Emitter-Widerstand z. B. Rnb geschaltet sind.
In einer anderen Sichtweise sind in der vorliegenden Schal­ tungsanordnung unter anderem Mittel zum Erfassen von Strom­ steilheiten TPV, C, OP, D, R1, R2b, R2a, T2, R3b, R3a, ..., Rnb, Rna, Tn, Mittel zum Erfassen von maximalen Stromsteil­ heiten SG, Cpk, SR und ein selbsteinstellender Differentiator OP, D, R1, R2b, R2a, T2, R3b, R3a, ..., Rnb, Rna, Tn enthal­ ten.
In der nachfolgenden Betrachtung sei angenommen, dass es sich bei dem Elektromotor um den Elektromotor eines Lüfters han­ delt. Es wird daher auch kurz von Lüfter gesprochen.
Mit dem Strommesswiderstand RS wird der Lüfterstrom auf den Stromversorgungsleitungen des Lüfters erfasst. Im Tiefpass­ filter und Verstärker TPV werden hochfrequente Störungen aus dem erfassten Signal entfernt, ohne die auf den Stromversor­ gungsleitungen vom Lüfter verursachten Stromschwankungen aus­ zufiltern. Als Grenzfrequenz kann beispielsweise eine Fre­ quenz von 10 kHz festgelegt sein.
Nach dem Tiefpassfilter und Verstärker TPV wird im vorliegen­ den Ausführungsbeispiel die negative Stromsteilheit des Lüf­ terstroms mit C, OP, D, R1, R2b, R2a, T2, R3b, R3a, ..., Rnb, Rna, Tn erfasst.
Mit R = (R1 + R2b + R2a + R3b + R3a + ... + Rnb + Rna) und stromlosen Tran­ sistoren T2, T3, ..., Tn ergibt sich allgemein folgende Aus­ gangsspannung Udiff des Operationsverstärkers OP:
Udiff = (-R . C . dUin/dt)
Der Spitzenwert der Ausgangsspannung Udiff wird nachfolgend als Spitzenspannung Upk erfasst. Von der Spitzenspannung Upk wird ein fest eingestellter Spannungswert mittels der Span­ nungsreduktionsmittel SR abgezogen.
In einem anderen Ausführungsbeispiel könnte dem Spitzenwert­ gleichrichter SG an Stelle eines Abzugs am Ausgang eingangs­ seitig gleich eine um einen entsprechenden Spannungswert ver­ minderte Eingangsspannung zugeführt werden.
Wenn am Eingang des Spitzenwertgleichrichters SG ein Spannungswert abgezogen wird, könnten für die für die Spannungsminderung benötigten Bauteile Bauteile aus der Rückkopplungsschleife des Operationsverstärkers OP verwendet werden, indem an entsprechenden Stellen in der Widerstandskette R1, R2b, R2a, R3b, R3a, ..., Rnb, Rna Abgriffe vorgesehen sind, an denen eine entsprechend schon reduzierte Spannung abzweigbar ist.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die um einen fes­ ten Betrag verminderte Ausgangsspannung Upk des Spitzenwert­ gleichrichters SG dem Komparator K als ein Vergleichswert zu­ geführt. Durch Vergleich mit der Ausgangsspannung Udiff des Operationsverstärkers Udiff werden die höchsten periodisch wiederkehrenden Stromsteilheiten zu einen Ausgangsimpuls füh­ ren, der durch den Impulsformer IF impulsgeformt wird. Die Summe der Ausgangsimpulse führen schließlich zu dem Impuls­ signal Mp.
Um das Problem zu lösen, dass von Hersteller zu Hersteller die Stromsteilheiten der Lüfter sehr stark unterschiedlich sind, ist der Differentiator OP, D, R1, R2b, R2a, T2, R3b, R3a, ..., Rnb, Rna, Tn in der Weise ausgebildet, dass er eine Verstärkungseinstellung abhängig von der Ausgangsspannung Udiff des Operationsverstärkers OP durchführt. Die Variation der angesprochenen Stromsteilheiten kann im Extremfall den Faktor 1000 annehmen.
Bei niedriger Ausgangsspannung Udiff des Operationsverstär­ kers OP (Udiff<Spannung Kollektor-Emitter von Tn) wirken alle Widerstände der Widerstandskette R1, R2b, R2a, R3b, R3a, ..., Rnb, Rna verstärkungsbestimmend. Das heißt, es gilt:
R = R1 + R2b + R2a + R3b + R3a + ... + Rnb + Rna.
Bei etwas höherer Ausgangsspannung Udiff (Spannung Kollektor- Emitter von Tn und Tn - 1<Udiff<Spannung Kollektor-Emitter von Tn) wirkt nur noch der Widerstand
R = R1 + R2b + R2a + R3b + R3a + ... + R(n - 1)b + R(n - 1)a
verstärkungsbestimmend. Entsprechendes gilt für die folgenden Transistorstufen. Die Spannung Kollektor-Emitter des Transis­ tors Tn - x, mit x = 1, 2, 3, ..., wird jeweils durch die zugehö­ rigen Widerstände Ryb und Rya, mit y = n - x, festgelegt. Der Ba­ siswiderstand R1, der einem Eingang des Differentiators OP, D, R1, R2b, R2a, T2, R3b, R3a, ..., Rnb, Rna, Tn am nächsten angeordnet ist, hat dabei einen relativ niedrigen Wert. Die Widerstände Rnb, Rna haben einen relativ hohen Wert. Die da­ zwischen angeordneten Widerstände haben jeweils von Wider­ stand zu Widerstand entsprechend proportional abgestufte Werte. Die Abstufung ist beispielsweise derart, dass sich ein beispielhafter Kennlinienverlauf ergibt, wie er in der Fig. 2 dargestellt ist.
Die Verstärkung des Differentiators OP, D, R1, R2b, R2a, T2, R3b, R3a, ..., Rnb, Rna, Tn berechnet sich dann wie folgt:
wobei gilt:
t = Gesamtzahl der in Reihe geschalteten Transistoren
k = höchste Positionsnummer der nichtleitenden Transistoren
Rm = Gesamtwiderstand des zum Transistor m gehörenden Tei­ lers
Ucem = Spannung Kollektor-Emitter von Transistor m, wenn die­ ser leitet.
Bei einem Lüfter mit niedriger Stromsteilheit wird die Spit­ zenspannung Upk sehr niedrig sein und bei einem Lüfter mit hoher Stromsteilheit wird die Spitzenspannung Upk sehr hoch sein. Werden die Verstärkungsfaktoren geeignet gewählt, so wird die Ausgangsspannung Udiff immer im optimalen Aussteuer­ bereich des Operationsverstärkers OP liegen.
Die Verstärkungsfaktoren können jeweils gleichmäßig unterein­ ander abgestuft sein. In diesem Fall wird nach dem Spannungs­ abzug durch die Spannungsreduktionsmittel SR von der Spitzen­ spannung Upk dem Komparator K ein Vergleichswert vorgegeben, der näherungsweise einem bestimmten Prozentsatz der maximalen Eingangsstromsteilheit entspricht. Durch Vergleich mit der Ausgangsspannung Udiff werden die höchsten periodisch wieder­ kehrenden Stromsteilheiten zu einem Ausgangsimpuls führen.
Die Überbrückungsdiode D stellt für positive Stromsteilheiten eine sehr niedrige Verstärkung ein.
Der Impulsformer IF unterdrückt wegen fehlerhafter Kommutie­ rung des Lüfters eventuell hervorgerufene Doppelimpulse.
In der Fig. 2 ist ein beispielhafter Kennlinienverlauf be­ züglich der Ausgangsspannung Udiff des Operationsverstärkers OP in Abhängigkeit von der momentanen negativen Stromsteil­ heit -SS angegeben. Die Ausgangsspannung Udiff ist dabei auf die Referenzspannung Uref normiert und in einem linearen Maß­ stab in Einerschritten angegeben. Die Stromsteilheit ist in einem linearen Maßstab bei 0 beginnend in Einerschritten an­ gegeben.
Bei einer entsprechenden Abstimmung der Widerstände der Wi­ derstandskette R1, R2b, R2a, R3b, R3a, ..., Rnb, Rna des Dif­ ferentiators OP, D, R1, R2b, R2a, T2, R3b, R3a, ..., Rnb, Rna, Tn stellt sich beispielsweise die in der Fig. 2 darge­ stellte Kennlinie ein, d. h., die Verstärkung ändert sich bei­ spielsweise zischen den Stufen 2, 3, 4, 5 usw. für Udiff im Verhältnis 128, 64, 32, 16 usw.. Dabei gilt für die Verstärkungsabsenkung ▲V zwischen den Stufen 1 und 2, bzw. 2 und 3 usw. für Udiff:
Die Verstärkung nimmt ab, da bei steigender Steilheit immer weniger Transistoren stromlos sind und damit k in der Formel 1 immer kleiner wird.

Claims (7)

1. Schaltungsanordnung zur Drehzahlerfassung elektronisch kommutierter Elektromotoren, mit einen selbsteinstellenden Differentiator aufweisenden Mitteln zum Erfassen von Strom­ steilheiten sowie im Anschluss daran mit Mitteln zum Erfassen von maximalen Stromsteilheiten jeweils von durch den Elek­ tromotor auf seinen Stromversorgungsleitungen verursachten Stromschwankungen, und mit Mitteln zum Erzeugen eines Taktsi­ gnals mit einer pro Zeiteinheit entsprechenden Anzahl von Taktimpulsen abhängig von der Drehzahl des Elektromotors im Anschluss an die Mittel zum Erfassen der Stromsteilheiten und der maximalen Stromsteilheiten, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der selbsteinstellende Differentiator (OP, D, R1, R2b, R2a, T2, R3b, R3a, T3, ..., Rnb, Rna, Tn) eine aus einer Widerstandskette (R1, R2b, R2a, R3b, R3a, ..., Rnb, Rna) und einer dazu parallel angeordneten Transistorkette (T2, T3, ..., Tn) bestehende Rückkopplungsschleife aufweist, in der die Transistoren (Tn) der Transistorkette (T2, T3, ..., Tn) mit den Widerständen (Rnb, Rna) der Widerstandskette (R1, R2b, R2a, R3b, R3a, ..., Rnb, Rna) in der Weise miteinander verbunden sind, dass bis auf einen vereinzelten Basiswiderstand (z. B. R1) jeweils zwei Widerstände (z. B. Rnb, Rna) der Widerstandskette (R1, R2b, R2a, R3b, R3a, ..., Rnb, Rna) für einen Transistor (z. B. TP) der Transistorkette (T2, T3, ..., Tn) als Kollektor-Basis- (z. B. Rna) bzw. als Basis- Emitter-Widerstand (z. B. Rnb) geschaltet sind.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der vereinzelte Basiswiderstand (R1) der Widerstandskette (R1, R2b, R2a, R3b, R3a, ..., Rnb, Rna) einem Eingang des Differentiators (OP, D, R1, R2b, R2a, T2, R3b, R3a, T3, ..., Rnb, Rna, Tn, am nächsten angeordnet ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Mittel zum Erfassen von maxima­ len Stromsteilheiten (SG Cpk, SR) im Anschluss an die Mittel zum Erfassen von Stromsteilheiten (TPV, C, OP, D, R1, R2b, R2a, T2, R3b, R3a, T3, ..., Rnb, Rna, Tn) einen Spitzenwert­ gleichrichter (SG) umfassen.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, dass im Anschluss an den Spitzenwert­ gleichrichter (SG) ein Spannungsreduktionsmittel (SR) vorge­ sehen ist.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, dass vor dem Spitzenwertgleichrichter (SG) ein Spannungsreduktionsmittel (SR) vorgesehen ist.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das Spannungsreduktionsmittel (SR) durch Doppelverwendung von Bauelementen in der Rückkopplungs­ schleife des selbsteinstellenden Differentiators (OP, D, R1 R2b, R2a, T2, R3b, R3a, T3, ..., Rnb, Rna, Tn) gebildet ist.
7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erzeu­ gen eines Taktsignals (Mp) mit einer pro Zeiteinheit ent­ sprechenden Anzahl von Taktimpulsen abhängig von der Drehzahl des Elektromotors (M) einen Komparator (K) umfassen, der ein­ gangsseitig eine Verbindung zu dem Spitzenwertgleichrichter (SG) und dem Differentiator (OP, D, R1, R2b, R2a, T2, R3b, R3a, T3, ..., Rnb, Rna, Tn) und ausgangsseitig eine Verbin­ dung zu einem Impulsformer (IF) aufweist.
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Papst-Katalog Gerätelüfter Equipment Fans, 94/95, Fa. Papst-Motoren GmbH & Co. KG, D-78112 St. Georgen/Schwarzwald, Kapitel "Gerätelüfter für Gleichspannung" und Varianten *

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