Ein Verfahren zur Detektion der Kommutierung von Gleichstrommotoren auf der Basis von Wavelets

Studienarbeit von Roland Fischer

Einleitung:

Verfolgt man die Entwicklung der elektronischen Neuerungen in einem KFZ, so lassen sich vor allem im Bereich der Komfortelektronik und bei den Sicherheitsstandards große Entwicklungsfortschritte feststellen. Airbag oder ABS sind wichtige Bestandteile für die Betriebssicherheit des KFZ, ein elektronischer Gashebel oder ein computergesteuertes Automatikgetriebe sinnvolle Ergänzungen für einen LKW. Bei der Entwicklung von komfortableren Bedienelementen spielt außer den Verbesserungen in der Handhabung für den Fahrer allerdings auch der Kostenfaktor eine dominante Rolle. Zusätzliche Sensoren oder Controller werden deshalb möglichst vermieden, vorhandene Systeme genutzt.

Bei vielen Bedienfunktionen, wie dem Verstellen des Außenspiegels oder dem Öffnen und Schließen der Scheiben, kommen Motoren kleinerer Leistung zum Einsatz. Oftmals werden permanentmagneterregte Gleichstrommotoren verwandt, zum einen wegen ihrer preiswerten Herstellung, zum anderen lassen sie sich leicht in die Spannungsversorgung innerhalb eines KFZ integrieren.

Die Positionsdetektion für die Motorsteuerung wird meist über mechanischen Sensoren realisiert, z.B. über Hall-Elemente, die die Stellung des Kommutatorankers erfassen: Falls der Motor festfährt, wird er abgeschaltet. Neben den zusätzlichen Kosten dieser Sensoren lassen sich mit ihnen nicht ohne weiteres höhere Funktionen, wie z.B. eine Memory-Funktion oder einen Einklemmschutz (speziell bei einer Scheibensteuerung), realisieren.

Gang der Untersuchung:

In der vorliegenden Arbeit soll nun ein Verfahren entwickelt werden, welches es möglich macht, einen Gleichstrommotor, wie er z.B. in einem KFZ als elektrischer Fensterheber eingesetzt wird, ohne zusätzliche Sensorik zu positionieren. Schon in früheren Untersuchungen wurde versucht über die Kennlinie des Ankerstroms, bzw. der induzierten Spannung, welche einen sehr charakteristischen, von der Beschaffenheit des Ankers und seiner Wicklungen abhängigen Verlauf hat, Rückschlüsse auf die Anzahl der Umdrehungen des Motors und damit auch auf die Lage zum Beispiel einer Scheibe zu ziehen. Kennzeichnend für den charakteristischen Verlauf ist eine periodische Welligkeit des Motorstroms, die von hochfrequenten Anteilen überlagert wird.

Grundlage für Untersuchungen, die eine Analyse des Motorstroms mit Hilfe der Wavelet-Transformation erlauben, waren Ergebnisse aus der Sprachverarbeitung, in denen ähnliche Kurvenverläufe wie die des Motorstroms mit seinen Kommutierungsspitzen auftreten. Hierbei wurden gute Ergebnisse vor allem im Bereich der Störunterdrückung mit Hilfe der Multi-Skalen-Analyse erzielt. Ein weiteres Beispiel, bei dem eine Kurve mit ähnlichem Verlauf mit Hilfe der Wavelet-Theorie analysiert wird, wird vorgestellt. Hier werden aus einem EKG-Signal für den Arzt relevante Informationen herausgefiltert.

Zur Aufteilung des Motorstroms in seinen hoch- und nierderfrequenten Anteil wird nun in der vorliegenden Arbeit die Wavelet-Transformation, bzw. darauf aufbauend die Multi-Skalen-Analyse des Stromes benutzt. Hierzu muss zuerst die Kennlinie des Motorstroms aufgenommen, in ein digitales Signal gewandelt und schließlich ausgewertet werden. In der vorliegenden Arbeit soll dieser Auswertealgorithmus entwickelt und vorgestellt werden.

Der Algorithmus soll so implementiert werden, dass eine spätere Ansteuerung des Motors über einen Mikrocontroller möglich ist. Zum einen lassen sich dadurch leicht weitere Funktionen wie z.B. Memory-Funktionen für Scheibenstände oder ein Einklemmschutz realisieren, zum anderen lässt sich ein prozessorgesteuerter Motor leichter in ein übergeordnetes Bus- und Regelsystem integrieren.

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