-
Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zur Drehmomentmessung von rotierenden
Maschinenteilen gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
-
Bei
Drehmomentaufnehmern auf der Basis von Dehnungsmessstreifentechnik
werden die Dehnungsmessstreifen meist am Rotor appliziert und zu einer
Wheatstone'schen
Brücke
verschaltet, die analoge Messsignale liefert, die dem Drehmoment
proportional sind. Diese analogen Messsignale werden mittels einer
Elektronik auf den Rotor verstärkt,
meist in ein Frequenz- oder Digitalsignal umgesetzt und dann zum
Stator induktiv übertragen
und dort weiterverarbeitet. Die Umsetzung der analogen Messsignale
vor der Übertragung
zum Stator in Frequenz- oder Digitalsignale hat primär den Zweck,
Fehlereinflüsse
durch Amplitudenänderungen
bei der Übertragung
zu vermeiden.
-
Die
Umsetzung der analogen Messsignale in frequenzmodulierte Signale
ist die am häufigsten
verbreitete Methode, da sie eine sehr einfache Auswertung mit digitalen
Zählschaltungen
erlaubt, die im Bereich der Automatisierungstechnik, insbesondere
bei den drehzahlgeregelten Motorsteuerungen, üblich sind. Weiterhin fällt als
parallele Messgröße die Drehzahl
als Frequenzsignal an, so dass Drehmoment und Drehzahl mit gleichartigen
Elektronikschaltungen erfasst und ausgewertet werden können. Da
ein frequenzmoduliertes Drehmomentsignal nahezu eine unendliche
Auflösung
besitzt, und in hohen Signalbandbreiten ausführbar ist, hat es gegenüber einer Übertragung
digital umgesetzter Signale erhebliche Vorteile in Bezug auf die
Genauigkeit, die Messsignalauflösung
und die Signalbandbreiten.
-
Des
weiteren ist die Weiterverarbeitung der Digitalwerte in schnellen
Motor-Regelkreisen nicht sehr verbreitet, da es kaum standardisierte
Schnittstellen dafür
gibt und die meisten Feldbusse zu langsam für diese Zwecke sind. Im übrigen ist
eine Rückumsetzung
in frequenzproportionale Signale zwar möglich, leidet aber an einer
prinzipbedingten Nichtlinearität
und daran, dass die Gruppenlaufzeiten der Messkette für Regelkreisanwendungen
oft untragbar groß sind.
-
Eine
Drehmomentmessvorrichtung an einem Fahrradkurbelantrieb ist aus
der
DE 37 22 728 C1 bekannt.
Dazu wird das Drehmoment durch am Tretlager angebrachte Dehnungsmessstreifenaufnehmer erfasst,
nachfolgend verstärkt
und in einem Spannungs-Frequenzumwandler
in eine proportionale Frequenz umgewandelt. Dieses Frequenzsignal
wird induktiv auf den stationären
Teil des Fahrrades übertragen,
demoduliert und als Tretkraft angezeigt oder gespeichert. Wie die
vom Dehnungsmessstreifenaufnehmer gebildete analoge Messspannung
in ein Frequenzsignal umgewandelt wird, ist im einzelnen nicht beschrieben.
Allerdings arbeiten herkömmliche Spannungs-Frequenzumsetzer
mit Modulationsfrequenzen, die durch RC-Oszillatoren erzeugt werden, deren
Frequenz temperatur- und alterungsabhängig ist, wodurch Umsetzungsfehler
entstehen, die insbesondere bei hohen Messgenauigkeitsanforderungen nicht
vertretbar sind.
-
Aus
der
EP 1 081 480 A2 ist
ebenfalls eine Drehmomentmessvorrichtung zur Erfassung der Tretkraft
an einem Fahrradtretlager bekannt. Dabei wird das Drehmoment vorzugsweise
durch einen frequenzveränderbaren
Oszillator direkt als Frequenzmesssignal erfasst und induktiv auf
den stationären Teil
des Fahrrades übertragen.
Allerdings wird auch eine alternative Ausführung beschrieben, nach der anstelle
des frequenzveränderbaren
Oszillators das Drehmoment mit Hilfe eines veränderlichen Wider standes erfassbar
ist. Dabei soll die Messspannung mit Hilfe einer Nachlaufsynchronisationsschaltung (PLL)
und einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) in eine Frequenz
umgesetzt werden.
-
Eine
derartige Nachlaufsynchronisationsschaltung (PLL) mit einem spannungsgesteuerten Oszillator
(VCO) ist aus dem Tietze-Schenk,
Halbleiterschaltungstechnik, 9. Auflage, Springer Verlag, Seiten
954 bis 956 bekannt, mit der die Frequenz eines Oszillators stabilisierbar
ist. Dazu ist in der Nachlaufsynchronisationsschaltung ein Phasendetektor vorgesehen,
der die Oszillatorfrequenz mit einer Bezugsfrequenz vergleicht und
bei einer Abweichung die Oszillatorfrequenz mit Hilfe eines spannungsgesteuerten
Oszillators (VCO) nachregelt. Allerdings ist hierzu noch die Bereitstellung
einer zusätzlichen
stabilen Bezugsfrequenz notwendig, um die Oszillatorfrequenz zu
stabilisieren. Dabei ist aus der
EP 1 081 480 A2 nicht ersichtlich, wie eine
derartige Schaltung mit veränderlichen
Aufnehmerwiderständen,
einer Spannungsfrequenzumsetzerschaltung mit Nachlaufsynchronisation
am Rotor ausgebildet ist und wie diese gespeist werden könnte und
wie die vorgesehene Bezugsfrequenz am Rotor zur Verfügung gestellt
wird.
-
Aus
der DE-PS 28 46 583 ist eine Vorrichtung zum Übertragen von Messsignalen über einen Übertrager
von einer Rotor- auf eine Statorseite und zum Übertragen einer Versorgungsspannung über den
gleichen Übertrager
von der Stator- auf die Rotorseite bekannt. Der Übertrager besteht aus einer feststehenden,
mit dem Stator verbundenen Wicklung und einer drehbaren, mit dem
Rotor verbundenen Wicklung. Die beiden Wicklungen sind über einen
Luftspalt induktiv gekoppelt. Die Versorgungsspannung für eine mit
dem Rotor verbundene, einen Messwertaufnehmer enthaltende Schaltung
wird dadurch erzeugt, dass die mit dem statorseitigen Oszillator
erzeugte Wechselspannung über
den Übertrager
einem Rotorseitigen Gleichrichter mit nachge schalteten Stabilisator
zugeführt
wird. Das Messsignal des Meßwertaufnehmers
wird nach Verstärkung von
einem Spannungs-Frequenz-Umformer
in eine Impulsfolge umgesetzt, dessen Ausgangsstufe an die rotorseitige
Wicklung des Übertragers
angeschlossen ist. Von einem hochohmigen Punkt der Statorseite wird
das Signal abgenommen und einem Demulator zugeführt. Dessen Ausgangssignal
entspricht dem des Spannungs-Frequenz-Umformers, d. h. eine niedrige Frequenz
entspricht einem kleinen Messsignal und eine hohe Frequenz einem
großen Messsignal.
Derartige Spannungsfrequenzumsetzer stellen einen Funktionsgenerator
mit steuerbarer Frequenz dar, die aus verschalteten Operationsverstärkern mit
RC-Gliedern bestehen, die temperaturabhängige Nullpunkt- und Empfindlichkeitsfehler
sowie Langzeitdriften durch Alterung aufweisen. Insbesondere bei
einer Frequenzmodulation von Mittenfrequenzen über 100 kHz treten Störungen in
Form von geringem zeitlichen Versatz im Empfänger auf, die als sogenannte
Signal-Jitter Fehler im analogen Messsignal verursachen.
-
Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur
Drehmomentmessung mit frequenzmodulierter Messsignalübertragung
zu schaffen, deren Genauigkeit insbesondere bei höher übertragbaren
Signalbandbreiten und hohen Modulationsfrequenzen verbessert und
unempfindlich gegenüber
temperaturbedingten Nullpunkt- und Empfindlichkeitsfehlern ist.
-
Diese
Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 angegebene Erfindung
gelöst.
Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in den Unteransprüchen
angegeben.
-
Die
Erfindung hat den Vorteil, dass durch den Einsatz eines synchronen
Spannungs-Frequenz-Umsetzers eine hochgenaue langzeitstabile Frequenzumsetzung
der analogen Messsignale möglich
ist. Gleichzeitig wird durch eine Nachlaufsynchronisationsschaltung
(PLL-Schaltung) der systemimmanente sogenannte Jitter-Effekt vermieden, der
insbesondere die Messgenauigkeit kleiner Analogmesssignale erheblich
beeinträchtigen
würde. Deshalb
sind vorteilhafterweise auch hohe Bandbreiten mit hoher Genauigkeit
der Messsignale von der erfassten Rotorseite auf die Statorseite übertragbar.
-
Bei
einer besonderen Ausführung
der Erfindung mit einer hochfrequenten quarzgesteuerten Modulationsfrequenz
ist vorteilhaft, dass damit die Übertragung
von Störfrequenzen
durch Filterschaltungen vermeidbar sind, die sonst im Bereich der übertragbaren
Signalbandbreiten liegen würden
und diese Messsignale verfälschen
könnten.
-
Bei
einer weiteren besonderen Ausführungsart
ist vorgesehen, die quarzgesteuerte Modulationsfrequenz statorseitig
zu erzeugen und synchronisiert zum Rotor zu übertragen, wodurch zusätzlich auch Störungen der Übertragerschaltungen
vorteilhaft vermeidbar sind.
-
Die
Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels,
das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen:
-
1:
eine schematische Darstellung einer Signalverarbeitungsschaltung
zur Frequenzumsetzung, und
-
2:
eine schematische Darstellung einer Signalverarbeitungsschaltung
zur Frequenzumsetzung mit einem Frequenzteiler.
-
In 1 der
Zeichnung ist eine schematische Signalverarbeitungsschaltung zur
Erfassung und Übertragung
frequenzmodulierter Messsignale von einem Rotor auf einen Stator
dargestellt, die einen synchronen Spannungs-Frequenz-Umsetzer 4 mit
einer nachfolgenden Nachlaufsynchronisation (PLL = Phase-Locked-Loops) 6 vor
der Übertragerschaltung 9 aufweist.
-
Die
Signalverarbeitungsschaltung 1 ist Teil einer Anordnung
zur Drehmomentmessung von rotierenden Maschinenteilen, die zur Erfassung
von Drehmomentsignalen an einem Rotor vorgesehen ist, in frequenzmodulierte
Messsignale umgesetzt wird und diese induktiv und berührungslos
auf einem Stator zur Messsignalauswertung übertragen werden. Dazu sind
an einem Rotor Drehmomentaufnehmerelemente in Form von Dehnungsmessstreifen appliziert,
die zu einer Wheatstone'schen
Brücke
verschaltet sind und Messsignale als analoge Drehmomentsignale erzeugen,
die dem erfassten Drehmoment proportional sind. Diese analogen Messsignale am
Ausgang der Drehmomentmessbrücke 2 werden in
einer herkömmlichen
Verstärkerschaltung 3 verstärkt und
anschließend
einem Spannungs-Frequenz-Umsetzer 4 zugeführt, der die
analogen Messsignale in eine stetig veränderbare Frequenz umsetzt.
Bei herkömmlichen
Spannungs-Frequenz-Umsetzern wird deren Zeitverhalten nur durch
RC-Glieder bestimmt, die Linearitätsfehler aufweisen und temperaturabhängig sind
und somit teilweise Nullpunkts- und Empfindlichkeitsfehler durch
diese Frequenzumsetzung verursachen. Deshalb ist für die erfindungsgemäße Signalverarbeitungsschaltung 1 ein sogenannter
synchroner Spannungs-Frequenz-Umsetzer (SFU) 4 vorgesehen,
der statt der zeitbestimmenden RC-Glieder eine quarzstabilisierte
konstante Eingangsfrequenz benötigt,
die von einer quarzgesteuerten Generatorschaltung 5 geliefert
wird. Diese quarzgesteuerte Generatorschaltung 5 erzeugt
eine konstante Eingangsfrequenz in Form von Rechteckimpulsen mit
einer Frequenz von beispielsweise 200 kHz. Das analoge Messsignal
wird dabei durch ein Strom konstanter Ladungspulse kompensiert,
die jeweils in Phase mit der angelegten Quarzfrequenz generiert
werden. Dieser synchrone Spannungs-Frequenz-Umsetzer 4 liefert
eine um ein bis zwei Zehnerpotenzen höhere Genauigkeit gegenüber herkömmlichen
Frequenzumsetzern mit zeitbestimmenden RC-Gliedern. Dieser synchrone
Spannungs-Frequenz-Umsetzer 4 ermöglicht somit den Bau von Rotorelektroniken
als Signalverarbeitungsschaltungen 1 mit sehr hohen Genauigkeiten
und Auflösungen.
-
Allerdings
besitzen derartige synchrone Spannungs-Frequenz-Umsetzer 4 einen für Messsignalumsetzungen
wesentlichen Nachteil, der ihre Verwendung im Grunde ungeeignet
erscheinen lässt. Denn
die erzeugten Ausgangspulse des synchronen Spannungs-Frequenz-Umsetzers 4 werden
nur zeitgleich mit einer positiven Halbwelle des Quarzsignals erzeugt,
so dass die synchronen Spannungs-Frequenz-Umsetzer 4 ihre
Ausgangsfrequenz nur in diskreten Frequenzschritten ändern können. Bei
der vorgesehenen Quarzfrequenz von 200 kHz soll das analoge Messsignal
vorzugsweise von –100
bis +100 frequenzproportional als 50 kHz bis 150 kHz (100 kHz +/– 50 kHz)
Frequenzsignal dargestellt werden. Wird nun beispielsweise ein analoges
Eingangs signal von +40% angenommen, so entspricht dies einem Frequenzproportionalen
Ausgangssignal des synchronen Spannungs-Frequenz-Umsetzers 4 von 120
kHz. Da der synchrone Spannungs-Frequenz-Umsetzer 4 nur
zeitgleich mit einem Puls der angelegten Quarzfrequenz selbst einen
Puls ausgeben kann, kann er nur ganzzahlig (n) teilbare Ausgangsfrequenzen
(fSFU = fQuarz/n)
der Quarzfrequenz (fQuarz) erzeugen (in
dem gegebenen Beispiel also 200 : 1 = 200 kHz; 200 : 2 = 100 kHz;
200 : 3 = 66,6 kHz; 200 : 4 = 50 kHz) und bietet somit nicht den
gewünschten
kontinuierlich durchstimmbaren Frequenzbereich von 50 kHz bis 150
kHz. Damit scheinen synchrone Spannungs-Frequenz-Umsetzer auf den
ersten Blick für
den genannten Zweck als völlig ungeeignet.
Eine Ausgangsfrequenz (fSFU) von 120 kHz
kann nur durch eine fortlaufende Hin- und Herschaltung zwischen
200 kHz und 100 kHz als Mittelwert angenähert werden.
-
Die
Wechselfrequenz mit der der Spannungs-Frequenz-Umsetzer zwischen
den Frequenzen 100 kHz und 200 kHz umschaltet, um im Mittel 120
kHz zu erzeugen ist 40 kHz. Die vom synchronen Spannungs-Frequenz-Umsetzer
ausgegebene mittlere Frequenz von 120 kHz besitzt somit eine systembedingte
Unruhe, die als sogenannten Jitter bezeichnet wird. Diese Frequenzunruhe
führt zu
einer starken Reduzierung der möglichen
Messsignalauflösung,
die für
hochgenaue Drehmomentmessungen normalerweise nicht zulässig ist.
Denn bei einem frequenzproportinalen Signalbereich von –100 bis
+100 = 50 kHz bis 150 kHz entsprechen 200 kHz einem Analogsignal
von +200 und 100 kHz entsprechen einem Analogsignal von 0%. Besonders
kritisch wird dieser prinzipbedingte Jitter-Effekt in der Nähe von 0%
Analogsignal, weil dann der synchrone Spannungs-Frequenz-Umsetzer 4 längere Zeit
konstant 100 kHz ausgibt und nur mit niedrigerer Wechselfrequenz
auf seine benachbarten möglichen
Frequenzen von 66,66 kHz bzw. 200 kHz springt.
-
Zur
Unterdrückung
dieses systembedingten Jitter-Effekts ist in der Signalverarbeitungsschaltung 1 am
Ausgang des synchronen Spannungs-Frequenz-Umsetzers 4 eine
Nachlaufsynchronisationsschaltung 6 als PLL-Schaltung (Phase
Locked Loop-Schaltung) vorgesehen. Dadurch wird der Vorteil der
hohen Präzision
der synchronen Spannungsfrequenzumsetzung genutzt und gleichzeitig
der Einfluss des systembedingten Jitters weitgehend unterdrückt. Denn
die PLL-Schaltung 6 vergleicht ihre Ausgangsfrequenz durch
den Rückkopplungszweig 11 mit
der Eingangsfrequenz und stellt sie auf den mittleren Wert der Eingangsfrequenz
ein. Da die PLL-Schaltung 6 eine Tiefpaßcharakteristik besitzt, kann
sie den schnellen Frequenzumschaltungen des synchronen Spannungs-Frequenz-Umsetzers 4 nicht folgen
und gibt am Ausgang eine beruhigte Mittelfrequenz von beispielsweise
120 kHz aus, die mit hoher Genauigkeit dem analogen Messsignal von
40% proportional ist.
-
Das
jeweilige frequenzmodulierte Ausgangssignal wird nachfolgend einer
bekannten rotorseitigen Übertragerschaltung 9 zugeführt, die
induktiv mit einer Übertragerschaltung 12 am
Stator gekoppelt ist und das frequenzmodulierte Messsignal berührungslos
auf die Statorseite 13 überträgt. Auf
der Statorseite 13 wird die Amplitude der übertragenen
Signalfrequenz meist in Impulsformerschaltungen regeneriert und
direkt nachfolgenden Auswerteschaltungen zur Verfügung gestellt
oder einer Demodulationsschaltung zugeführt, die die Messfrequenz in
ein analoges Messsignal umwandelt. Gleichzeitig wird über die Übertragerschaltung 12 von
der Statorseite 13 in herkömmlicher Weise auch die Speiseenergie
induktiv auf die Rotorseite 14 übertragen, mit der sowohl die Messbrückenschaltung 2,
die Verstärkerschaltung 3, der
synchrone Spannungs-Frequenz-Umsetzer 4 und die Nachlaufsynchronisationsschaltung 6 gespeist
werden.
-
Eine
verbesserte Ausführung
der Signalverarbeitungsschaltung 1 ist in 2 der
Zeichnung dargestellt. Diese Signalverarbei tungsschaltung enthält ebenfalls
eine Drehmomentmessbrückenschaltung 2,
eine Verstärkerschaltung 3,
einen synchronen Spannungs-Frequenz-Umsetzer 4 und eine
Nachlaufsynchronisationsschaltung 6 wie nach 1 der Zeichnung.
Allerdings ist der synchrone Spannungs-Frequenz-Umsetzer 4 mit
einer höherfrequenten
quarzgesteuerten Generatorschaltung 7 verbunden, die eine
Quarzfrequenz im MHz-Bereich (z.B. 3,2 MHz) an den synchronen Spannungs-Frequenz-Umsetzer 4 liefert.
Bei diesem Ausführungsbeispiel
pendelt deshalb die Ausgangsfrequenz am synchronen Spannungs-Frequenz-Umsetzer 4 durch das
ganzzahlige Teilungsverhältnis
zwischen 1,6 MHz (0% Analogsignal) und 3,2 MHz (200% Analogsignal),
um eine mittlere Frequenz von 1,92 MHz zu erzeugen. Da die Quarzfrequenz
der hochfrequenten Generatorschaltung 7 16 mal der Modulationsfrequenz
von 200 kHz nach 1 entspricht, erhöht sich
auch die Wechselfrequenz am Ausgang des synchronen Spannungs-Frequenz-Umsetzers 4 um den
Faktor 16 und ergibt somit eine Wechselfrequenz von 640
kHz, die mit der dann auch 16-fach breitbandigeren nachfolgenden
PLL-Schaltung 6 gemittelt und damit als frequenzproportionale
Ausgangsfrequenz von 1,92 erhalten wird. Dabei wird der Dynamikbereich
der schnelleren PLL-Schaltung durch Aufschaltung entsprechend dimensionierter
RC-Glieder 8 vorgegeben.
-
Im
Anschluss an die schnelle PLL-Schaltung 6 ist eine Frequenzteilerschaltung 10 vorgesehen, die
die beruhigte Ausgangsfrequenz im Verhältnis 16:1 herunterteilt, so
dass dann bei einem vorgegebenen Analogsignal von 40% ebenfalls
wieder ein frequenzmoduliertes Ausgangssignal von 120 kHz ausgegeben
wird, das über
die Übertragerschaltung 9 von
der Rotorseite 14 induktiv auf die Statorseite 13 übertragbar
ist. Da bei dieser Ausgestaltung die Frequenzumschaltung des synchronen
Spannungs-Frequenz-Umsetzers 4 außerordentlich schnell erfolgt, liegen
diese Frequenzen weit oberhalb der interessierenden Signalbandbreiten
des Messsignals und können
durch entsprechende Filterschaltungen unterdrückt werden, so dass dadurch die
Messsignalunruhe und somit auch die Messgenauigkeit nicht mehr beeinträchtigt werden
kann.
-
Bei
der Signalverarbeitungsschaltung 15 nach 2 der
Zeichnung mit den hochfrequenten Modulationsspannungen von über 3 MHz
sind auch Ausführungen
möglich,
bei der der synchrone Spannungs-Frequenz-Umsetzer 4 weiterhin
rotorseitig 14 angeordnet wird, während die Nachlaufsynchronisationsschaltung 6 nach
der Übertragerschaltung 12 auf
der Statorseite 13 vorgesehen ist. Dadurch sind vorteilhafterweise
auch ungünstige
zusätzliche
Jitter-Störungen
bei der Frequenzübertragung
vom Rotor zum Stator weitgehend vermeidbar, wodurch sich die Messgenauigkeit
erhöht.
Gleichfalls kann auch die frequenzstabilisierte Trägerfrequenz
statorseitig 13 erzeugt und über den Speiseleistungsübertrager der
synchronen Spannungs-Frequenz-Umsetzerschaltung 4 zugeführt werden.
Diese Trägerfrequenz kann
dann gleichzeitig zur Synchronisation der statorseitigen Impulsformerstufen
genutzt werden, wodurch ohne großen Aufwand eine jitterfreie
d.h. messfehlerfreie Übertragung
ermöglicht
wird.