DE4311182A1

DE4311182A1 - Verfahren zur berührungslosen Drehzahlmessung

Info

Publication number: DE4311182A1
Application number: DE4311182A
Authority: DE
Inventors: Ingo Dipl Ing Dr Richter; Klaus Dipl Ing Skibowski
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1993-04-06
Filing date: 1993-04-06
Publication date: 1994-10-13
Also published as: FR2704063A1; US5581178A; JPH06342003A; FR2704063B1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach der Gattung des Haupt anspruchs.

Zur Bestimmung der Drehzahl von rotierenden Teilen werden üblicher weise Markierungen, die am rotierenden Teil angebracht sind, mit Hilfe eines speziellen Sensors, beispielsweise eines Induktivsensors abge tastet. Bei rotierenden Teilen, die vollständig von einem Gehäuse um geben sind, ist eine solche Drehzahlermittlung jedoch nicht möglich. Bei Elektrokraftstoffpumpen beispielsweise, die komplett gekapselt sind, sind keine drehbaren Teile nach außen geführt, so daß andere Drehzahlmessungen erforderlich sind.

Daher wird beispielsweise in der nicht vorveröffentlichten DE-P 41 33 269 eine Drehzahlerfassung vorgeschlagen, bei der insbeson dere in Verbindung mit einer Messung der Drehzahl einer Elektrokraft stoffpumpe das Stromsignal der Elektrokraftstoffpumpe ausgewertet wird. Durch wechselnde Bestromung der Ankerwicklung während der Drehung des Ankers entstehen drehzahlabhängige Stromschwankungen. Diese Stromschwankungen, die mit einer drehzahlabhängigen Frequenz auftreten, werden durch Abtastung des Stromsignales digitalisiert und in einer Recheneinrichtung zweimal fouriertransformiert. Nach der zweiten Fouriertransformation wird ein Spektrum erhalten, bei dem die Drehzahl direkt aus dem absoluten Maximum ermittelbar ist.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat gegenüber den bereits bekannten Lösungen den Vor teil, daß mit einem vertretbaren Rechenaufwand eine sehr sichere und genaue Aussage über die Drehzahl eines Gleichstrommotors möglich ist, ohne daß ein zusätzlicher Drehzahlsensor erforderlich ist.

Erzielt wird dieser Vorteil, indem das Stromsignal des Gleichstrom motors abgetastet wird und die durch das wechselnde Bestromen der Ankerwicklungen während der Drehung des Ankers entstehenden Strom schwankungen, die einen Wechselstromanteil darstellen und mit einer ganz bestimmten drehzahlabhängigen Frequenz auftreten, in einer Re cheneinrichtung in geeigneter Weise verarbeitet werden. Dabei wird nach der Abtastung des Stromsignales mit genügend hoher Abtastrate und genügend vielen Abtastpunkten eine Autokorrelationsfolge gebildet. Diese Autokorrelationsfolge ist periodisch, die Auswertung der Perio de, beispielsweise die Auswertung der Abstände der Maxima der Autokor relationsfolge ist ein direktes Maß für die gewünschte Drehzahl.

Wird die Drehzahl nicht nur aus dem Abstand zweier Maxima sondern über eine Mittelwertbildung der Abstände mehrerer Maxima oder Minima gebil det, wird die Genauigkeit der Drehzahlerfassung erhöht.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß der Einfluß der gewählten Frequenz, mit der das Stromsignal abgetastet wird, auf die sichere Er kennung der Drehzahl wesentlich geringer als bei bekannten Lösungen ist.

Weitere Vorteile der Erfindung lassen sich mit den in den Unteran sprüchen angegebenen Weiterbildungen erzielen.

Zeichnung

In Fig. 1 ist eine Einrichtung schematisch dargestellt, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann. Fig. 2 zeigt den abgetasteten Stromverlauf über die diskreten Abtastpunkte n, in Fig. 3 ist die berechnete Autokorrelationsfolge dargestellt und in Fig. 4 das Spektrum, das nach einer zweifachen Fouriertransformation erhalten wird.

Beschreibung des Ausführungsbeispieles

In Fig. 1 ist eine Einrichtung, mit der das erfindungsgemäße Verfah ren durchgeführt werden kann, in Form eines Blockschaltbildes darge stellt. Dabei bezeichnet 10 die Elektrokraftstoffpumpe, als Beispiel eines Gleichstromelektromotors, deren Drehzahl D ermittelt werden soll. Mit 11 ist eine Strommeßeinrichtung bezeichnet, die das Strom signal I(t) oder die vom Stromsignal verursachten Magnetfelder der Elektrokraftstoffpumpe 10 mißt und das Stromsignal I1(t) abgibt.

An die Meßeinrichtung 11 schließt sich ein Bandpaßfilter 12 zur Ab trennung des Gleichanteils und zur Abschneidung der höheren Frequenz anteile des Signals an. Der so erhaltene Strom I2(t) wird in einem nachfolgenden Verstärker 13, beispielsweise einem adaptiven Verstärker, dessen Verstärkungsfaktor veränderbar ist, zur weiteren Verarbeitung verstärkt.

Im Analog/Digital-Wandler 14 wird das Signal I3(t) digitalisiert. Das sich daraus ergebende Signal I3(n) ist in Fig. 2 dargestellt. Die weitere Auswertung erfolgt in einem Rechner 15, beispielsweise einem Signalprozessor, der über die mit 16 bezeichnete Ausgabeeinheit die ermittelte Drehzahl D ausgibt. Der Analog/Digital-Wandler 14 kann auch Bestandteil des Rechners 15 selbst sein, er wird von diesem angesteuert.

Bei der mit 10 bezeichneten Elektrokraftstoffpumpe, deren Drehzahl n ermittelt werden soll, kann es sich um eine beliebige Elektropumpe handeln, die von einem Gehäuse vollständig umgeben ist, so daß von außen kein drehbares Teil zugänglich ist. Selbstverständlich läßt sich die Erfindung jedoch auf beliebige Gleichstromelektromotoren ausdehnen.

Der der Elektrokraftstoffpumpe 10 zugeführte elektrische Strom, der letztendlich eine Drehung des Ankers bewirkt, der aber vom Elektro motor selbst ebenfalls beeinflußt wird, wird erfindungsgemäß ausge wertet. Durch das wechselnde Bestromen der Ankerwicklungen der Pumpe während der Drehung entstehen periodische Stromschwankungen. Diese Stromschwankungen sind drehzahlabhängig und werden zur Bestimmung der Drehzahl herangezogen, wobei zunächst das sogenannte Stromformbild I3(n) ermittelt wird.

Der zeitliche Verlauf des Stromes bei einem Gleichstrommotor hat neben dem das Nutzmoment bildenden Gleichanteil auch einen Wechselanteil, der durch die stattfindenden Schaltvorgänge am Kommutator entsteht. Der mit einer Einrichtung nach Fig. 1 gemessene Wechselanteil des Stromes I3(n) eines Gleichstrommotors ist in Fig. 2 dargestellt. In der erkennbaren Periodizität des Signales ist, wie bereits erläutert, die Information über die augenblickliche Motordrehzahl enthalten. Die Periodizität wird im wesentlichen durch die Kommutierungsvorgänge am Kommutator hervorgerufen. Zur Ermittlung dieser Periodizität wird das Signal digitalisiert und mit Hilfe eines Rechners 15 abgetastet. In diesem Rechner 15 wird der Zeitverlauf abgespeichert.

Aus einer genügend großen Anzahl N von Abtastwerten x wird eine end liche Autokorrelationsfolge (AKF(i)) bestimmt, die sich nach der fol genden Gleichung ergibt:

Diese Gleichung ist beispielsweise bekannt aus: Kammeyer, U. D./Kroschel, K.: Digitale Signalverarbeitung und Spektralanalyse, B. G. Teubner-Verlag 1989, Stuttgart.

Die Wahl der Werte von n und m ist abhängig von der Anzahl N der auf genommenen Abtastwerte x, deren Augenblickswerte zur Berechnung der AKF verwendet werden, von der geforderten Genauigkeit und der zuläs sigen Rechenzeit. Die Wahl kann empirisch erfolgen.

Beispielsweise hat es sich als sinnvoll erwiesen, bei einer gewählten Anzahl der Abtastpunkte N=1024, die Werte von n und m zu n=200 und m=200 festzulegen. Diese Werte stellten für diesen Fall einen guten Kompromiß zwischen Rechenzeit und Genauigkeit des Ergebnisses dar.

Werden geeignete Werte für n und m ausgewählt, ergibt sich eine Auto korrelationsfolge AKF(i) wie sie in Fig. 3 dargestellt ist. Aus die ser Autokorrelationsfolge AKF(i) läßt sich die Drehzahl bestimmen, in dem die Differenz der Positionen i1 und i2 zweier aufeinanderfolgender Maxima oder Minima ausgewertet wird. Die Drehzahl errechnet sich zu:

D = (60_*f_a)/((i2-i1)_*k)

Mit f_a ist die Abtastfrequenz bezeichnet, k gibt die Anzahl der Kom mutatorsegmente an. Beim Beispiel nach Fig. 2, also bei einem 8-nuti gen Gleichstrommotor beträgt k = 8.

Auswertbare Positionen i1 und i2 sind beispielhaft in der Fig. 3 eingetragen.

Die Genauigkeit des ermittelten Drehzahlwertes kann gesteigert werden, indem die Drehzahl nicht nur aus dem Abstand zweier aufeinanderfol gender Maxima oder aufeinanderfolgender Minima gebildet wird, sondern indem die Abstände mehrerer oder aller auswertbarer Maxima oder Minima ermittelt werden und daraus ein Mittelwert gebildet wird.

Eine weitere Möglichkeit, die Genauigkeit bei der Drehzahlermittlung zu steigern, läßt sich erzielen, indem die Lage der Maxima und Minima durch Interpolation mit Hilfe eines geeigneten Algorithmus im Rechner noch genauer bestimmt wird.

Mit dem hier beschriebenen Verfahren läßt sich die Drehzahl eines Elektromotors zuverlässig bestimmen. Das Verfahren der Drehzahlermitt lung mittels einer Autokorrelationsfolge kann auch im Zusammenhang bzw. in Kombination mit einem Verfahren zur Drehzahlermittlung mittels einer zweifachen schnellen Fouriertransformation, wie es in der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE-P 41 33 269 beschrie ben wird, angewendet werden. Der Inhalt der genannten Patentanmeldung DE-P 41 33 269 soll im übrigen zur Offenbarung dieser Anmeldung gehö ren.

Im obengenannten Fall kann mit der beschriebenen Drehzahlermittlung über eine Autokorrelationsfolge AKF(i) ein Schätzwert D* für die Dreh zahl ermittelt werden und mit diesem Schätzwert D* können die für die sichere Auswertung nach der schnellen Fouriertransformation (FFT) not wendigen Parameter, insbesonders eine geeignete Abtastrate, mit der das Stromsignal bei der Digitalisierung abgetastet wird, abgeschätzt werden, damit wird dieses Verfahren noch sicherer gegenüber Falschmessungen.

Die Fouriertransformationen werden mit einer Fouriertransformations karte, die Bestandteil des Rechners sein kann, durchgeführt. Aus dem Stromsignal wird nach der zweifachen Fouriertransformation ein Spek trum U4(t), das ein absolutes Maximum X(t) aufweist, das proportional zur Drehzahl ist. Durch Bestimmen der zu diesem Maximum gehörenden Zeit kann die Drehzahl aus dem Kehrwert der Zeit berechnet werden.

Der aus der AKF(i) ermittelte Schätzwert für die Drehzahl kann auch Ausgangspunkt für die Festlegung der Abtastrate für die nächste Bil dung einer AKF(i) sein.

Claims

1. Verfahren zur Messung der Drehzahl eines rotierenden Teiles, insbe sondere eines von einem Gehäuse umgebenen rotierenden Teiles, dadurch gekennzeichnet, daß ein von der Drehzahl (D) abhängiges Signal (I1(t)) erfaßt wird, daß das Signal (I1(t)) gefiltert und durch Abtastung digitalisiert wird und daß in einer Recheneinrichtung (15) eine Autokorrelationsfolge (AKF(i)) gebildet wird, aus deren Maxima und/oder Minima die Drehzahl (D) bestimmt wird, indem der Abstand zwischen wenigstens zwei aufeinanderfolgender Maxima oder Minima ausgewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine endli che Autokorrelationsfolge (AKF(i)) gebildet wird und die Wahl der Anzahl der Abtastwerte und/oder der Abstand zwischen den Abtastwerten in Abhängigkeit von der gewünschten Genauigkeit und der zur Verfügung stehenden Rechenkapazität gewählt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl aus dem Abstand zweier benachbarter Maxima oder zweier be nachbarter Minima der Autokorrelationsfolge (AKF(i)) gebildet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das rotierende Teil der Anker einer Elektrokraftstoffpumpe (10) ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß das Signal (I1(t)) das Stromsignal oder das Magnetsignal der Elektrokraftstoffpumpe (10) ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Bildung der Autokorrelationsfunktion (AKF(i)) und/oder die weitere Auswertung in einem Rechner (15) erfolgt, insbesonders einem Mikrorechner.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die ermittelte Drehzahl als Schätzwert (D*) verwendet wird, der zur Festlegung der Abtastrate, mit der das Stromsignal bei der nächsten Auswertung abgetastet wird, verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das abgeta stete Stromsignal zweimal fouriertransformiert wird, zur Erzeugung eines Spektrums U(t) und die Drehzahl (D) durch Auswertung des im zweimal fouriertransformierten Spektrum U(t) vorhandenen absoluten Maximums X(t) bestimmt wird, wobei bei der Festlegung der Parameter der Fouriertransformation der zuvor ermittelte Drehzahlschätzwert (D*) berücksichtigt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl (D) durch Bestimmung der zum Maximum X(t) gehörenden Zeit (t) ermit telt ist, die umgekehrt proportional zur Drehzahl (D) ist.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorher gehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strom meßeinrichtung (11) für das von der Drehzahl (D) abhängige Signal (I2(t)) vorgesehen ist, die ein Signal (I1(t)) abgibt, das über einen Bandpaß (12) und einen Verstärker (13) einem Analog/Digital-Wandler (14) zugeführt wird, an den sich ein Rechner (15) anschließt und die Drehzahl (D) über eine Ausgabeeinheit (16) ausgegeben wird.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorher gehenden Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Rechner ein Bereich zur Bildung einer Autokorrelationsfunktion AKF(i) und gegebenenfalls auch ein Bereich zur Durchführung von Fouriertransformationen vorhanden ist.