Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Frequenz der im Ankerstromsignal eines kommutierten Gleichstrommotors enthaltenen Stromrippel.

Das Ankerstromsignal eines kommutierenden Gleichstrommotors umfaßt einen Gleichanteil sowie einen den Gleichanteil überlagernden Wechsel- anteil. Der Wechselanteil entsteht bei einem Betrieb des Gleichstrommo- tors infolge des Zusammenwirkens von Magnet (Feld), Ankerwicklung und Kommutator des Gleichstrommotors. Dies äußert sich in einer kurzzeitigen Änderung der induzierten Spannung, woraus sich die Welligkeit des An- kerstromsignals ergibt. Die in dem Ankerstromsignal enthaltenen Strom- spitzen-im folgenden Stromrippel genannt-treten bei einer Umdrehung des Ankers in einer der Anzahl der Kollektorlamellen entsprechenden Häufigkeit auf. Weist beispielsweise der Anker zehn Kollektorlamellen auf, sind im Ankerstromsignal entsprechend zehn Stromrippel zu erkennen.

Eine Zählung der Stromrippel kann somit Aufschluß über die aktuelle Drehstellung des Ankers des Gleichstrommotors und somit bezüglich des von ihm angetriebenen Elements innerhalb seiner vorbestimmten Bewe- gungsstrecke geben. Zu diesem Zweck wird das analoge Ankerstromsi- gnal digitalisiert, um eine entsprechende Zählung vornehmen zu können.

Die Anzahl der abgezählten Stromrippel in einem bestimmten Zeitintervall gibt als Stromrippelfrequenz Aufschluß über die aktuelle Drehzahl des Gleichstrommotors.

Um eine möglichst fehlerfreie Stromrippeldetektion durchführen zu kön- nen, wird das analoge Ankerstromsignal vor und ggf. auch nach seiner Digitalisierung zum Unterdrücken von Störeinflüssen entsprechend aufbe- reitet. Zur Aufbereitung des Ankerstromsignales werden Filterungen durchgeführt, die als Tiefpaßfilterung und/oder als Frequenzfilterungen ausgestaltet sind. Ein derartiges Signalaufbereitungsverfahren ist bei- spielsweise beschrieben in DE 195 11 307 C1. Sinn und Zweck derartiger Signalaufbereitungsverfahren ist es, ein präzises Ankerstromsignal, mög- lichst befreit von Störeinflüssen, bereitzustellen, damit dieses aufbereitete

Ankerstromsignal anschließend im Hinblick auf die darin enthaltenen Stromrippel ausgewertet werden kann. Zur Positionsbestimmung werden die Rippel gezählt, da das Zählergebnis unmittelbar Aufschluß über die aktuelle Drehstellung der Antriebswelle bzw. des Ankers des Gleich- strommotors gibt. Zum Zählen der in dem Ankerstromsignal enthaltenen Stromrippel werden üblicherweise Minima-oder Maxima-Bestimmungs- algorithmen oder solche zur Bestimmung der Nulldurchgänge eingesetzt.

Mit den vorbekannten Signalaufbereitungs-und Korrekturverfahren lassen sich im Ankerstromsignal enthaltene Störeinflüsse jedoch nur dann hinrei- chend beseitigen oder minimieren, wenn die im Ankerstromsignal enthal- tenen Stromrippel prägnant im Ankerstromsignal vorhanden sind. Proble- matisch, wenn nicht sogar unmöglich ist eine Auswertung der im Anker- strom enthaltenen Stromrippel, wenn diese durch Störfrequenzeinflüsse überlagert sind, die sich auch dadurch bemerkbar machen können, daß das Stromrippelsignal einem in seiner Frequenz und Amplitude zufällig veränderlichen Störfrequenz, beispielsweise infolge von Spannungs- schwankungen aufmodelliert sein kann.

Ausgehend von diesem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein vereinfachtes Verfahren zum Bestimmen der Frequenz der im Ankerstromsignal eines kommutierten Gleichstrom- motors enthaltenen Stromrippel vorzuschlagen, bei dem auch eine sichere Frequenz-bzw. Drehzahlbestimmung erfolgen kann, wenn das Stromrip- pelsignal von Störfrequenzeinflüssen überlagert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Bestim- mung der Frequenz der im Ankerstromsignal enthaltenen Stromrippel über eine Differenzbildung zwischen dem durch eine Spektralanalyse des An- kerstromsignals gewonnenen Ergebnis und dem Ergebnis einer weiteren Spektralanalyse einer elektrischen Motorbetriebsgröße erfolgt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt eine Bestimmung der Stromrippelfrequenz im Ankerstromsignal durch eine Differenzbildung zwi- schen den Ergebnissen von zwei unabhängig voneinander durchgeführten Spektralanalysen. Zumindest eines der Ergebnisse der beiden Spektral- analysen ist aus dem Ankerstromsignal gewonnen worden. Das Ergebnis der weiteren Spektralanalyse ist ein entsprechendes, der eine weitere elektrische Motorbetriebsgröße zugrunde gelegt ist, beispielsweise die

Motorspannung. In diesem Fall machen sich in den Spektralanalysen, die beispielsweise mittels einer Fast-Fourier-Transformation des Ankerstrom- signals bzw. des Motorspannungsignals in seinen jeweiligen Frequenzbe- reich ermittelt worden sind, Störfrequenzen in gleicher Weise bemerkbar.

Dem gegenüber machen sich die Stromrippel mehr oder weniger aus- schließlich, zumindest jedoch in deutlich stärkerem Maße in der Spektral- analyse bemerkbar, in durch die das Ankerstromsignal transformiert wor- den ist, nicht jedoch in dem Ergebnis der aus dem Motorspannungssignal gewonnenen Spektralanalyse. Durch eine Differenzbildung der Ergebnisse dieser beiden Spektralanalysen werden die Störfrequenzanteile, die sich in den Ergebnissen der beiden Spektralanalysen gleichermaßen bemerk- bar machen, eliminiert mit dem Ergebnis, daß lediglich die aktuelle Strom- rippelfrequenz für eine weitere Auswertung übrig bleibt. Durch diese Sub- traktion werden somit sämtliche Schwingungen eliminiert, die nicht kom- mutierungsbedingt sind, sondern originär von den Verzerrungen im Span- nungssignal herrühren. Dabei wirken sich eventuelle, durch den jeweiligen Betriebszustand des Gleichstrommotors bedingte Phasenverschiebungen der Frequenzanteile nicht aus, da der Gleichstrommotor keine Verschie- bung von Frequenzanteilen vornimmt. Vielmehr fügt er selbst neue hinzu, nämlich die Stromrippel. Daher ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht nur die Frequenz der im Ankerstromsignal enthaltenen Stromrippel auch bei einer Überlagerung durch Störfrequenzeinflüsse ermittelbar.

Vielmehr ist auch eine Stromrippelfrequenzerkennung und eine sich daran anschließende Drehzahl-und Positionsbestimmung der Ankerwelle des Gleichstrommotors möglich, wenn Spannungsschwankungen auftreten.

Die Differenzbildung kann bei einer solchen Ausgestaltung, bei der in die Differenzbildung die Ergebnisse von Spektralanalysen zum einen das An- kerstromsignal und zum anderen das Motorspannungssignal eingehen, zeitgleich und somit mit den Daten desselben Abtastzeitpunktes vorge- nommen werden.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß in beide von- einander zu subtrahierende Spektralanalysen das Ankerstromsignal ein- geht, wobei in diesem Falle sicherzustellen ist, daß das den Spektralana- lysen zugrunde gelegte Ankerstromsignal in unterschiedlichen Betriebszu- ständen des Gleichstrommotors erfaßt worden ist. Beispielsweise können die Spektralanalaysen bei unterschiedlicher Drehzahl des Gleichstrom- motors durchgeführt werden. Die Spektralanalysen basieren dann auf An-

kerstromdaten, die zeitlich voneinander beabstandet sind. Bei dieser Aus- gestaltung wird davon ausgegangen, daß die Störfrequenzen innerhalb des zweckmäßigerweise kleinen Zeitintervalls zwischen der Erstellung der ersten und der zweiten Spektralanalyse etwa konstant ist. Die Bestim- mung der Stromrippelfrequenz kann beispielsweise bei jedem Anfahren des Gleichstrommotors durchgeführt werden.

Grundsätzlich kann eine solche Berechnung in jedem Takt der digitalen Abtastung der in die Auswertung eingehenden Signalkurven bestimmt werden. Bei solchen Gleichstrommotoren, die immer kurzzeitig in Betrieb sind, wie beispielsweise Fensterhebermotoren in einem Kraftfahrzeug, ist es zweckmäßig und auch ausreichend, daß eine Bestimmung der Strom- rippelfrequenz bei jedem Anfahren des Gleichstrommotors durchgeführt wird.

Die auf die zuvor beschriebene Weise bestimmte Frequenz der im Anker- stromsignal enthaltenen Stromrippel kann infolge ihrer Proportionalität zur Drehzahl unmittelbar herangezogen werden, um daraus die Drehwinkel- stellung der Ankerwelle des Gleichstrommotors oder eine Positionsbe- stimmung eines von dieser angetriebenen Elementes durchführen zu kön- nen.

Änderungen infolge des Betriebszustandes des Gleichstrommotors resul- tieren in einer Änderung der Frequenz der im Ankerstromsignal enthalt- nen Stromrippel. Folglich sind Änderungen in der Frequenz der Stromrip- pel unmittelbar auf eine Drehzahländerung des Gleichstrommotors zu- rückzuführen.

Zum Durchführen der Spektralanalyse kann das analoge Ankerstromsignal zunächst digitalisiert und anschließend mittels einer Fast-Fourier- Transformation in seinen Frequenzsbereich transformiert werden. Diese Verfahrensschritte können wenig rechenintensiv ausgestaltet sein. Dies hat auch zur Folge, daß ohne weiteres diese Berechnungen in jedem Zeitpunkt der digitalen Abtastung des analogen Ankerstromsignals vorge- nommen werden können, so daß eine Drehwinkelbestimmung der An- triebs-bzw. Ankerwelle des Gleichstrommotors in einer zeitlich sehr hohen Auflösung erfolgen kann. Folglich kann dieses Verfahren auch eingesetzt werden, um für solche Korrekturverfahren benutzt werden zu können, bei

denen die aktuelle Drehzahl des Gleichstrommotors benötigt wird. Insbe- sondere können mit diesem Verfahren bei einer Durchführung der Verfah- rensschritte im Takt der digitalen Abtastung Betriebszustandsänderungen quasi in Echtzeit erfaßt werden und somit auch in der aktuellen Drehwin- kelbestimmung berücksichtigt werden.

Im Gegensatz zum vorbekannten Stand der Technik wird bei dem bean- spruchten Verfahren keine Frequenzfilterung vorgenommen, sondern es erfolgt eine direkte Ermittlung der aktuellen Stromrippelfrequenz unter Ausblendung solcher Frequenzanteile, die als Störeinflüsse ggf. das An- kerstromsignal überlagern. Die Beobachtung der Stromrippelfrequenz wird bei diesem Verfahren unmittelbar ausgewertet, ohne daß zu diesem Zweck zuvor eine eigene Stromrippeldetektion oder eine besondere Signalaufbereitung grundsätzlich notwendig wäre. Daher eignet sich die- ses Verfahren insbesondere auch, um eine sensorlose Positionsbestim- mung bei kommutierten Gleichstrommotoren mit geringeren Anforderun- gen an ihre Qualität unter Ausnutzung der im Ankerstrom enthaltenen Stromrippel durchführen zu können.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann jedoch nicht nur vorgesehen sein, die aktuelle Frequenz der Stromrippel bei einem Betrieb des Gleich- strommotors zu ermitteln und zu überwachen, sondern diese Betriebsfre- quenz der im Ankerstromsignal enthaltenen Stromrippel kann ebenfalls im Hinblick auf sprunghafte Änderungen der Stromrippelfrequenz überwacht werden. Bei Auftreten von Fehl-und/oder Doppelrippeln erfolgt eine sprunghafte Änderung der aktuellen Stromrippelfrequenz, so daß an- schließend bei einer Detektion einer solchen sprunghaften Änderung der aktuellen Stromrippelfrequenz eine Korrektur des Stromrippelzählergeb- nisses und somit der aktuellen Positionsbestimmung durchgeführt werden kann.

Die Detektion einer solchen sprunghaften Änderung der aktuellen Strom- rippelfrequenz kann einer Plausibilitätskontrolle unterworfen werden, etwa über die Dauer der Frequenzänderung oder über den Frequenzsprung, um auf diese Weise eine Interpretation von nicht durch Stromrippel indu- zierten Frequenzen zu vermeiden. Mit einem solchen Korrekturverfahren ist es somit auf einfache Weise möglich, eine Korrektur von auftretenden Fehl-und/oder Doppelrippeln vorzunehmen, ohne daß zu diesem Zweck

aufwendige und rechenintensive Algorithmen zum Erkennen von Fehl- und/oder Doppelrippeln durchgeführt werden müßten.

Die Erfindung ist nachfolgend nochmals anhand der Figuren erläutert. Es zeigen : Fig. 1 : Ein Diagramm zum Darstellen der Differenzbildung von den Ergebnissen zweier Spektralanalysen zur Ermittlung der Stromrippelfrequenz in dem Ankerstromsignal eines kommu- tierten Gleichstrommotors.

Bei einem kommutierten Gleichstrommotor wird das Motorspannungs-und Motorstromsignal überwacht. Die Signalkurven der Motorspannung und des Motorstroms sind in dem Diagramm der Figur 1 oben links wiederge- geben, wobei die Motorspannungskurve mit U und die Motorstromkurve mit/bezeichnet sind. Aus der Unregelmäßigkeit des Ankerstromsignals/ ist erkennbar, daß in diesem nicht nur das Stromrippelsignal enthalten ist, sondern daß dieses durch andere Schwingungen überlagert ist, beispiels- weise der Bordnetzwelligkeit eines Kraftfahrzeuges, wenn der Gleich- strommotor etwa als Fensterhebermotor in einem Kraftfahrzeug eingesetzt ist.

Die das Ankerstromsignal 1 überlagernden Schwingungen etwa der Bord- netzwelligkeit machen sich auch in der Motorspannungskurve U bemerk- bar. Die im Ankerstromsignal/enthaltenen Stromrippel sind im Motor- spannungssignal U nicht oder sehr viel abgeschwächter enthalten. Diese Zusammenhänge werden nunmehr zur Ermittlung der Stromrippelfrequenz ausgenutzt. Zu diesem Zweck wird etwa im Wege einer Fast-Fourier- Transformation das Motorspannungssignal U in den Frequenzbereich transformiert, so daß auf diese Weise eine Spektralanalyse vorgenommen werden kann. Entsprechend erfolgt ebenfalls eine Transformation des An- kerstromsignales/in den Frequenzbereich. Die beiden Frequenzspektren der Motorspannung sowie des Motorstromes sind an entsprechender Stelle rechts neben dem zuvor genannten Diagramm aufgetragen. Die beiden Frequenzspektren reflektieren die am Zustandekommen der jewei- ligen Kurven U,/beteiligten Schwingungsfrequenzen. Durch eine Sub- traktion dieser beiden Frequenzspektren voneinander werden die in bei- den Frequenzspektren enthaltenen Störschwingungen eliminiert, so daß

im Ergebnis die Stromrippelfrequenz, die maßgeblich im Ankerstromsignal /enthalten ist, übrig bleibt. Diese kann anschließend einer nachfolgenden Auswertung, beispielsweise zur Ermittlung der aktuellen Drehzahl des Gleichstrommotors und einer nachgeschalteten Positionsbestimmung sei- ner Antriebswelle oder eines von ihr angetriebenen Elementes unterzogen werden.

In dem Diagramm der Figur 1 unten links ist die um die Störschwingungen, etwa die Bordnetzwelligkeit bereinigte Motorspannung U sowie das ent- sprechend bereinigte Ankerstromsignal/aufgetragen. In dem Ankerstrom- signal 1 ist nunmehr ausschließlich die Welligkeit der Stromrippel wieder- gegeben. Dieses Diagramm verdeutlicht lediglich das Ergebnis der durch- geführten Differenzbildung der beiden in diesem Ausführungsbeispiel be- nutzten Frequenzspektren.

Bei einer drehzahlbezogenen Überwachung der Stromrippelfrequenz kön- nen die Änderungen der Stromrippelfrequenz überwacht werden, wobei die die Stromrippelfrequenz überlagernde Störeinflüsse von einer solchen Änderung unberücksichtigt bleiben. Solche Störeinflüsse, die durch den Kommutator bedingt sind, verändern bei einer Drehzahländerung eben- falls ihre Frequenz, so daß diese grundsätzlich auch beobachtet werden können.

Bei Auftreten von Fehl-oder Doppelrippeln verändert sich die Frequenz der Stromrippeln sprunghaft, so daß auch dieses ohne weiteres mit dem beschriebenen Verfahren detektierbar ist. Fehl-oder Doppelrippel machen sich nur kurzzeitig bemerkbar und können beispielsweise aufgrund dieser Eigenschaft im Störfrequenzspektrum erkannt werden.