DD227256A1

DD227256A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zur digitalen messung von drehzahlverlaeufen

Info

Publication number: DD227256A1
Application number: DD26583184A
Authority: DD
Inventors: Juergen Werner; Juergen Krone
Original assignee: Tech Mikroelektronik Forsch
Priority date: 1984-07-26
Filing date: 1984-07-26
Publication date: 1985-09-11
Also published as: DD227256B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur digitalen Messung des Drehzahlverlaufes eines umlaufenden Bauteils durch Abtastung mit einem Sensor, der eine der Drehzahl proportionale Folge von Signalen erzeugt und durch Berechnung der Drehzahl aus der Periodenlaenge und des Sensorsignals. Es ist Aufgabe der Erfindung, das zeitliche Aufloesevermoegen und die Genauigkeit bei der Messung zu verbessern. Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass die Messung der Periodenlaenge des Sensorsignals fortlaufend erfolgt und zusaetzlich ein Auswertebereich fuer die Laenge des Messzeitintervalls ausgewaehlt wird. Nach jeder Drehzahlmessung wird sowohl die Periodenanzahl des Sensorsignals so eingestellt, dass die Laenge des Messzeitintervalls bei der naechsten Messung in diesem Bereich faellt, als auch die Zaehlimpulsfrequenz so veraendert, dass das Zaehlergebnis in dem vorgegebenen Auswertebereich liegt.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur digitalen Messung des Drehzahlverlaufes eines umlaufenden Bauteils.

Bei der digitalen Messung des Drehzahlverlaufes eines umlaufenden Bauteils mit einem Sensor und Messung der Sensorsignalfrequenz, die proportional der Drehzahl ist, treten folgende Probleme auf:

1. Legt man die Periodendauermessung zugrunde, d.h. das Auszählen einer hochfrequenten Impulsfolge, die in die Dauer einer Sensorsignalperiode fällt, treten im oberen Drehzahlbereich große Quantisierungsfehler auf, bedingt durch relativ kleine Zählergebnisse. Weiterhin ist der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messungen stark von der Periodendauer des Sensorsignals abhängig.

2. Legt man die Frequenzzählung zugrunde, d. h. das Auszählen der in ein bestimmtes Zeitintervall fallenden Sensorsignalperioden, ist zwar der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messungen vorgebbar, jedoch ist der Quantisierungsfehler indirekt proportional diesem Zeitintervall.

Die Erfindung löst diese Widersprüche und ist in allen Bereichen anwendbar, in denen Drehzahlverläufe erfaßt werden müssen.

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Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Durch die SU-US 763805 und SU-US 729522 werden Verfahren zur Messung einer Sensorsignalfrequenz realisiert, welche zuerst die Länge einer Sensorsignalperiode mit einer Festfrequenz auszählen und anschließend die Sensorsignalperioden zählen, die in ein dem ersten Zählergebnis proportionales Meßzeitintervall fallen, bzw. anschließend ein Meßzeitintervall mit einer Festfrequenz auszählen, welches aus einer dem ersten Zählergebnis indirekt proportionalen Anzahl von Sensorsignalperioden gebildet wird. So wird zwar eine konstante Quantisierungsgenauigkeit erreicht, jedoch ist das zeitliche Auflösungsvermögen frequenzabhängig.

Die der Erfindung naheliegendste technische Lösung ist durch die DE-AS 2635004 bekannt geworden. Sie beschreibt ein Verfahren zur Drehzahlmessung, bei dem ein Zeitintervall mit hochfrequenten Zählimpulsen ausgezählt wird, welches gleich der Länge einer oder mehrerer Periodendauern des der Drehzahl proportionalen periodischen Sensorsignales ist. In Abhängigkeit des erreichten Zählergebnisses, wird entweder die Zahl der ausgezählten Perioden oder die Zählimpulsfrequenz so verändert, daß das Zählergebnis in einen festen Auswertebereich fällt.

Somit wird eine weitgehende Konstanz des relativen Quantisierungsfehlers erreicht. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß eine Regelung des für die Messung von Drehzahlverläufen wesentlichen Zeitintervalls zwischen zwei Messungen, d. h. des zeitlichen Auflösungsvermögens nicht möglich ist. Weiterhin wirkt sich der über den gesamten Drehzahlbereich konstante Quantisierungsfehler dann nachteilig aus, wenn eine feste oder andersartige drehzahlabhängige Absolutgenauigkeit erforderlich ist.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, das zeitliche Auflösungsvermögen und die Genauigkeit bei der Messung von Drehzahlverläufen zu verbessern.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren der eingangs genannten Art, bei dem Zählimpulse bekannter Frequenz pro Meßzeit über eine oder mehrere Periodendauern verwendet werden, und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens so zu verbessern bzw. auszubilden, daß sowohl der Quantisierungsfehler, als auch der zeitliche Abstand zwischen zwei Messungen in vorgegebene, gegebenenfalls drehzahlabhängige Bereiche fallen.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß die Messung der Periodenlänge des Sensorsignals fortlaufend erfolgt und zusätzlich ein Auswertebereich für die Länge des Meßzeitintervalls vorgegeben wird und nach jeder Drehzahlmessung sowohl die Periodenanzahl des Sensorsignals so eingestellt wird, daß die Länge des Meßzeitintervalls bei der nächsten Messung in diesen Bereich fällt, als auch die Zählimpulsfrequenz so verändert wird, daß das Zählergebnis in dem vorgegebenen Auswertebereich liegt.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung besteht darin, daß bei fortlaufender Auszählung der Auswertezeitintervalle durch die Regelung der Periodenzahl einerseits das zeitliche Auflösungsvermögen und der Zählimpulsfrequenz andererseits die Quantisierungsgenauigkeit die erforderlichen Werte erreichen.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird jeder Drehzahl ein Sinnfälligkeitsbereich für die Zählimpulsanzahl zugeordnet. Verläßt bei der darauffolgenden Messung die Impulsanzahl diesen Bereich, wird diese Messung als nicht sinnfällig betrachtet und keine neue Drehzahl berechnet. Basierend auf der Tatsache, daß sich jede physikalisch reale Drehzahl und folglich auch die ihr entsprechende Impulsanzahl nur begrenzt ändern kann, werden somit störungsbedingte grobe Fehlermessungen unterdrückt. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Umschaltung der Zählimpulsfrequenz und der Periodenzahl in einer zur Drehzahlmessung nicht genutzten Leerperiode des Sensorsignals. Damit werden umschaltbedingte Störungen (z.B. Hassards) ausgeschlossen.

Auch wird der Tatsache Rechnung getragen, daß Form und Amplitude der Sensorsignale in der Regel stark drehzahlabhängig sind. Das periodische Sensorsignal erhält ein aus Begrenzung, Verstärkung und nochmaliger Begrenzung bestehende Rechteckverformung und wird anschließend durch die Zählimpulse getriggert. Diese Rechteckform ermöglicht eine exakte Bestimmung der Länge des Auswertezeitintervalls, welche aus einer oder mehreren Periodendauern des Sensorsignals gebildet wird. Weiterhin gewährleistet die Triggerung des Rechtecksignals die Unterdrückung aller höherfrequenten Störimpulse als der Triggertakt in der Umgebung des Sensornulldurchgangs, welche Fehlmessungen infolge falscher Periodenzählungen hervorrufen können.

Dabei stellt die Triggerung mit Zählimpulsfrequenz das Optimum dar, da einerseits jede höhere Frequenz weniger Störimpulse unterdrückt und andererseits jede niedrigere Frequenz die Zählimpulsanzahl je Auswertezeitintervall und somit auch die gemessene Drehzahl verfälschen kann.

Des weiteren sind Bereiche für zeitliches Auflösungsvermögen und Meßgenauigkeit den Drehzahlmeßbereichen zuordenbar.

In einer Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens ist ein Mikrorechner, bestehend aus Mikroprozessor, Programm- bzw. Festwertspeicher und Notizblockspeicher einerseits mit den Ausgängen eines Zählers gekoppelt, der die Überlaufimpulse des Zählers registriert, bei Auftreten eines Impulses am Frequenzteiler für Sensorsignale den Zählstand ausliest, die Zählimpulsanzahl während eines Meßzeitintervalls mißt und daraus eine Drehzahl berechnet und andererseits mit einem Frequenzteiler für Sensorsignale und einem Frequenzteiler für Zählimpulse zur Einstellung der Länge des nächsten Meßzeitintervalls und des nächsten Teilungskoeffizienten für die Zählimpuslfrequenz verbunden.

In zweckmäßiger Ausbildung der Erfindung ist dem Zähler ein Tor vorgeschaltet, welches durch einen Impuls am Ausgang des Frequenzteilers für Sensorsignale die Zählimpulse für eine Periode des Sensorsignals sperrt, in der die Frequenzteiler vom Mikrorechner neu eingestellt werden. Einem Sensor, der periodische, der Drehzahl proportionale Signale erzeugt, ist ein Signalformer, bestehend aus einem ersten Begrenzer, Verstärker und einem zweiten Begrenzer sowie einem mit der Zählimpulsfrequenz getakteten D-Trigger nachgeschaltet.

Es bestehtauch die Möglichkeit, mehrere gleichartige miteinander verschaltete Sensoren, Signalformer, Frequenzteiler, Tore und Zähler mit einem Mikrorechner und einem Impulsgeber zu verschalten, um Drehzahlen mehrerer umlaufender Bauteile zu ermitteln.

Zum Darstellen der ermittelten Drehzahl ist der Mikrorechner mit einer Ausgabeeinheit verbunden. Der Vorteil der Schaltungsanordnung besteht darin, daß sie mit relativ geringem Aufwand durchführbar ist. Insbesondere der Einsatz des Mikrorechners gewährleistet eine einfache Anpasssung an das notwendige Auflösungsvermögen und die notwendige Meßgenauigkeit. Anstatt des Mikrorechners kann jedoch auch ein Bewerter in Form eines Koeffizientenspeichers, der entsprechend den eintretenden Meßergebnissen die Frequenzteiler neu einstellt in Verbindung mit einer Arithmetik-Logik-Einheit, die die Umrechnung der Zählergebnisse in Drehzahlen vornimmt, eingesetzt werden.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.

Es zeigt Fig. 1: das Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und Fig.2: ein Impulsdiagramm zur erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.

Der Sensor 1 erzeugt periodische der Drehzahl proportionale Signale S_s. Sie gelangen auf einen ersten Begrenzer 13, einen Verstärker 14 und einen zweiten Begrenzer 15 und erfahren so eine Rechteckformung. Die Flanken des Rechtecksignals definieren auch bei stark unterschiedlicher Form und Amplitude des Sensorsignals S_s seine Periodendauer exakt. Die Messung der Periodendauer erfolgt mit Zählimpulsen F_z konstanter Frequenz.

Sie werden von einem Impulsgeber 3 mit nachgeschaltetem, einstellbaren Frequenzteiler 5 erzeugt. Das zum Rechtecksignal formierte Sensorsignal S_s gelangt auf den D-Eingang eines D-Triggers 16, der mit den Zählimpulsen F_z getaktet wird. Am Ausgang des D-Triggers 16 entsteht ein mit den Zählimpulsen F_z synchronisiertes Rechtecksignal S_f. Der Vorteil besteht dabei darin, daß einerseits die Abweichung seiner Periodenlänge von der Periodenlänge des Sensorsignals S_s kleiner ist als der Abstand zwischen zwei Zählimpulsen F₂ und somit unterhalb des Auflösungsvermögens liegt. Andererseits werden somit im Rechtecksignal S_f alle Störimpulse unterdrückt, die kurzer sind als der Abstand zwischen zwei Zählimpulsen F_z und durch hochfrequente Störungen in der Nulldurchgangsumgebung des Sensorsignals S₅ hervorgerufen werden. Das synchronisierte Rechtecksignal S_f gelangt auf den Eingang eines einstellbaren Frequenzteilers 4 und eine Torschaltung 11, die weiterhin mit den Ausgängen der Frequenzteiler 4 und 5 verknüpft ist. Der Torschaltung 11 folgt ein Zähler 2. Durch die High-Low-Flanke des synchronisierten Rechtecksignals S_f wird das Tor 11 für die Zählimpulse F_z geöffnet. Durch jeden der Zählimpulse F₂, am Ausgang des Tores 11, wird der Zähler 2 inkrementiert, dessen Überläufe Z_ü werden von einem Mikrorechner 6, bestehend aus Mikroprozessor 7, Programm- bzw. Festwertspeicher 8 und Notizblockspeicher 9, gezählt. Der Impuls P_ü am Ausgang des Frequenzteilers 4 schließt das Tor 11 für eine Periode des Sensorsignals S₅ und wird vom Mikrorechner 6 registriert. Der Mikrorechner 6 liest daraufhin den Zähler 2 aus und bestimmt die Differenz zum Zählerstand beim vorhergehenden Impuls Pq am Ausgang des Frequenzteilers 4. Diese Differenz ist gleich der Zählimpulsanzahl n₂, die in soviele Periodenlängen T_s des Sensorsignals S_s fallen, um wieviel der Teiler 4 die Frequenz seines Eingangssignals teilt. Aus der Zählimpulsanzahl n₂, der Zählimpulsfrequenz f₂, der Periodenanzahl für das Meßzeitintervall n_p, dem Teilungskoeffizienten für die Zählimpulsfrequenz f₂ und der Anzahl von Periodenlängen T_s des Sensorensignals S_s je Umdrehung n_s errechnet der Mikrorechner 6 nun entsprechend die Drehzahl.

Mit dem Ergebnis steuert er die Ausgabeeinrichtung 10 an. In den Periodenlängen T₅ des Sensorsignals S_s, in welcher das Tor 11 geschlossen ist, stellt der Mikrorecner 6 die Frequenzteiler 4 und 5 so neu ein, daß die Meßgenauigkeit und das zeitliche Auflösungsvermögen in vorher definierbare, abhängige Bereiche fallen

Zuerst wird die Periodenanzahl für das Meßzeitintervall n_p aus

berechnet. Dabei seien t_Max(n), t_Min(n) die obere bzw. untere Grenze für das zeitliche Auflösungsvermögen. Der Teilungskoeffizient für die Zählimpulsfrequenz f_z wird anschließend aus _

berechnet, wobei A_Max(n) und A_Min(n) die obere bzw. untere Grenze der geforderten relativen Meßgenauigkeit sind.

Claims

-1- 265 831

Erfindungsansprüche:

1. Verfahren zur digitalen Messung des Drehzahlverlaufes eines umflaufenden Bauteils durch Abtasten mit einem Sensor, der eine der Drehzahl proportionale Folge von Signalen erzeugt und durch Berechnung der Drehzahl aus der Periodenlänge des Sensorsignals, welches gemessen wird, indem die in das aus einer oder mehreren Perioden bestehende Meßzeitintervall fallenden Zählimpulse einer konstanten Frequenz gezählt werden, wobei für das Zählergebnis ein Auswertebereich vorgegeben ist und in Abhängigkeit vom erreichten Zählergebnis eine Änderung entweder der Periodenanzahl des Sensorsignals oder der Zählimpulsfrequenz erfolgt, so daß das Zählergebnis in den Auswertebereich fällt, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der Periodenlänge T_s des Sensorsignals S₅fortlaufend erfolgt und zusätzlich ein Auswertebereich für die Länge des Meßzeitintervalls n_p, ausgewählt wird und nach jeder Drehzahlmessung sowohl die Periodenanzahl des Sensorsignals S_s so eingestellt wird, daß die Länge des Meßzeitintervalls n_p bei der nächsten Messung in diesen Bereich des Meßzeitintervalls n_P fällt, als auch die Zählimpulsfrequenz f₂ so verändert wird, daß das Zählergebnis in dem vorgegebenen Auswertebereich liegt.
2. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Drehzahl ein Sinnfälligkeitsbereich für die Zählimpulsanzahl n_z zugeordnet ist und bei der darauffolgenden Messung im Falle des Verlassene dieses Sinnfälligkeitsbereiches die erreichte Impulsanzahl nicht zur Drehzahlmessung genutzt wird.
3. Verfahren nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei aufeinanderfolgende Meßzeitintervalle n_p durch eine Leerperiode des Sensorsignals S₅ getrennt werden, in welcher die Umschaltung der Zählimpulsfrequenz F₂ und der Zahl der zur Messung herangezogenen Perioden des Sensorsignals S₅ erfolgt.
4. Verfahren nach Punkt 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das periodische Sensorsignal S₅ eine aus Begrenzung, Verstärkung und nochmaliger Begrenzung bestehende Rechteckformung erfährt und anschließend durch die Zählimpulse F_z getriggert wird.
5. Verfahren nach Punkt 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Bereiche für zeitliche Auflösungsvermögen und Meßgenauigkeit Drehzahlbereichen willkürlich zugeordnet sind.
6. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Punkt 1 und 4, mit einem Sensor, der eine der Rotationsgeschwindigkeiten proportionale Folge von Signalen erzeugt, mit einem Zähler und einem Impulsgeber zur Zählung der in die Dauer einer oder mehrerer Sensorperioden fallenden Zählimpulse sowie mit dem Sensor und dem Impulsgeber nachgeschalteten einstellbaren Frequenzteiler und einer Torschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mikrorechner (6) bestehend aus Mikroprozessor (7), Programm- bzw. Festwertspeicher (8) und Notizblockspeicher (9), einerseits mit den Ausgängen eines Zählers (2) gekoppelt ist, die Überlaufimpuise Z₀ des Zählers (2) registriert, bei Auftreten eines Impulses am Frequenzteiler (4) für Sensorsignale den Zählerstand ausliest, die Zählerimpulsanzahl n₂ während eines Meßzeitintervalls n_p mißt und daraus eine Drehzahl berechnet und andererseits mit je einem Frequenzteiler (4, 5) zur Einstellung der Länge des nächsten Meßzeitintervalls n_p und des nächsten Teilungskoeffizienten n_f für die Zählimpulsfrequenz f_z verbunden ist.
7. Schaltungsanordnung nach Punkt 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Zähler (2) ein Tor (11) vorgeschaltet ist, welches durch einen Impuls am Ausgang des Frequenzteilers (4) die Zählimpulse für die Sensorsignale S_s für eine Periode des Sensorsignals S_s sperrt, in der die Frequenzteiler (4, 5) vom Mikrorechner (6) neu eingestellt werden.
8. Schaltungsanordnung nach Punkt 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß einem Sensor (1) ein Signalformer (12), bestehend aus Begrenzer (13), Verstärker (14) und einem weiteren Begrenzer (15) sowie einem mit der Zählimpulsfrequenz getakteten D-Trigger (16), nachgeschaltet ist.
9. Schaltungsanordnung nach Punkt 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere gleichartig untereinander und mit dem Mikrorechner (6) und dem Impulsgeber (3) verschaltete Sensoren (1), Signalformer (12), Frequenzteiler (4, 5), Tore (11) und Zähler (2) gleichzeitig mehrere Drehzahlen messen.
10. Schaltungsanordnung nach Punkt 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrorechner (6) mit einer Ausgabeeinheit (10) verbunden ist.

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