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Verfahren und Vorrichtung zur digitalen
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Messung der Rotationsgeschwindigkeit umlaufender Bauteile Die Erfindung
bezieht sich auf ein Verfahren zur digitalen Messung der Rotationsgeschwindigkeit
eines mit periodischen Schwankungen umlaufenden Bauteils, insbesondere der Kurbelwelle
einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie auf eine
Vorrichtung zur Durohführung dieses Verfahrens.
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Die Drehzahl einer Verbrennungskraftmaschine ist selbst bei gleichbleibenden
Motorparametern nicht konstant, sondern eine Größe, die durch die in den Brennräumen
stattfindenden Verbrennungen impulsartig angeregt und durch das Schwungrad gedämpft
periodisch schwankt.
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Soll nun die Drehzahl asz Motors zur Regelung ausgewertet werden,
müssen insbesondere dann, wenn eine Differenzierung erforderlich ist, die Ungleichförmigkeiten
herausgefiltert werden. Diese Ungleichförmigkeiten werden zum einen durch periodische
Beschleunigung der Kurbelwelle angeregt, wobei die Störfrequenz im Falle eines Vierzylinder-Motors
doppelt so groß wie die Motordrehzahl ist und deren ganzzahlige Oberwellen'umfaßt.
Zum weiteren entsteht eine Ungleichförmigkeit durch periodisch unterschiedliche
Zylinderleistungen, wobei die Störfrequenz der halben Motordrehzahl entsPricht und
auch hier ganzzahlige Oberwellen zu berücksichtigen sind. Neben diesen periodischen
Störungen ergeben sich noch Ungleichförmigkeiten durch statistisch unterschiedliche
Zylinderleistungen, die jedoch niemals vollständig herausfilterbar sind.
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Die Heraus filterung der periodischen Störungen erfolgt üblicherweise
durch Tiefpässe. Um.sämtliche Störungen auszufiltern, muß dabei die Eckfrequenz
des Tiefpasses kleiner sein als die kleinste auftretende Störfrequenz, die der Hälfte
der kleinsten Motordrehzahl entspricht. Bei einer kleinsten Motordrehzahl von 1000
U/min = 16,6 Hz wäre damit eine Filterfrequenz von 8,3 Hz erforderlich.
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Bei einer im Betrieb auftretenden Drehzahl von 6000 U/min wäre dagegen
eine Eckfrequenz von 50 Hz ausreichend, so daß bei der Wahl einer festen Filterfrequenz
von 8,3 Hz ein wesentlicher Informationsverlust auftreten würde. Zweckmäßig wäre
also eine Filterfrequenz, die sich mit der Drehzahl der Brennkraftmaschine verändert.
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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur digitalen Messung der
Rotationsgeschwindigkeit eines mit periodischen Schwankungen umlaufenden Bauteils,
wie es beispielsweise aus den Offenlegungsschriften 26 16 972, 27 42 056 oder 29
02 815 bekannt ist. Bei allen diesen Verfahren wird im Gegensatz zu den sonst bisher
bekannten Drehzahlerfassungen nicht die Anzahl der innerhalb einer festen Zeiteinheit
eingehenden Signale von auf dem Bauteil angeordneten Marken erfaßt, sondern die
Zeit gemessen, die zwischen zwei Signalen liegt und deren Kehrwert ein Maß für die
Rotationsgeschwindigkeit des Bauteils ist. Bei diesen bekannten Einrichtungen wird
jedoch bewußt die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Signalen oder auch die
Zeit gemessen, die bis zum Erreichen eines bestimmten aus mehreren Impulsen bestehenden
Zählintervalls vergangen ist. Im letzteren Fall soll dieses Zählintervall einem
Drehbereich des Bauteilswvon beisielsweise 600, in jedem Fall also einem Bruchteil
des Arbeitsspiels des Bauteils, entsprechen.
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Mit diesen bekannten Vorrichtungen und Verfahren werden nun aber die
durch die periodischen Schwankungen verursachten Veränderungen der Rotationsgeschwindigkeit
des Bauteils nicht herausgefiltert, sondern gerade erfaßt, so daß diese Meßverfahren
in den Fällen, in denen es auf die Erfassung und Weiterverarbeitung der mittleren
Drehzahl ankommt, nicht einsetzbar sind.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, ein
Verfahren und eine Vorrichtung zur digitalen Messung der Rotationsgeschwindigkeit
eines mit periodischen Schwankungen umlaufenden Bauteils, insbesondere der Kurbelwelle
einer Brennkraftmaschine, vorzuschlagen, bei dem alle durch periodische Störungen
verursachten Ungleichförmigkeiten ausgefiltert und ein für die Weiterverarbeitung
geeigneter Wert der mittleren Rotationsgeschwindigkeit ermittelt wird.
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Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruchs
1. Dadurch, daß die Zeit zwischen den von Marken jeweils im Abstand eines ganzen
Arbeitsspiels des Bauteils erzeugten Signalen gemessen wird, stellt sich eine optimale
Filterfunktion ein, da alle Ungleichförmigkeiten, die zwischen den beiden im Abstand
eines Arbeitsspiels abgegebenen Signalen ein und derselben Marke ganz-periodisch
sind, ausgefiltert werden. Die übrig bleibenden Geschwindigkeitsänderungen gelten
damit als Information und können ohne weitere Filterung weiterverarbeitet werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also eine sich selbst adaptierende Filterfunktion
erreicht.
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Mit anderen Worten ausgedrückt ergibt die Transformation in den Frequenzbereich
eine Si-funktion, die jeweils Nullstellen bei den Vielfachen der kleinsten Störfrequenz
hat und somit die Störungen und nur die Störungen ausfiltert.
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Bei diesem Verfahren läßt sich auch auf einfache Weise die Beschleunigung
des Bauteils durch Bildung des Differenzenquotienten zwischen den mittels zweier
aufeinanderfolgender Marken ermittelten Rotationsgeschwindigkeiten erfassen.
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Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist eine Auswerteeinheit
mit einem die Zeitpunkte des Auftretens der Signale erfassenden Schieberegister
auf, dessen Länge der um 1 erhöhten Zahl der je Bauteil-Arbeitsspiel von dem Sensor
abgegebenen Signale entspricht.
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Anstelle eines Schieberegisters könnte auch eine andere Darstellung
eines nach dem Prinzip "first in - first out" arbeitenden Speichers verwendet werden0
Um häufigere Meßergebnisse zu erlangen, kann nämlich über den Umfang des Bauteils
verteilt eine größere Zahl von Marken vorgesehen sein, wobei fortlaufend die Zeit
zwischen den im Abstand
eines Bauteil-Brbeitsspiei, auftretenden
Signalen jeweils einer Marke für die Drehzahl- bzw. Rotationsgeschwindigkeitsmessung
herangezogen wird. Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich
gemäß den übrigen Unteransprüchen.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schematischer
Blockschaltbilder gezeigt und im folgenden näher beschrieben. In den drei Figuren
sind jeweils gleiche oder vergleichbare Bauteile mit den gleichen, gegebenenfalls
mit einem Strich versehenen Bezugszeichen gekennzeichnet. Dabei stellt 1 das umlaufende
Bauteil, beispielsweise die Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine'dar, auf dessen
Umfang etwa gleichmäßig verteilt zur Signalabgabe vorgesehene Marken 2a - 2d angebracht
sind. Diese Marken können, wie in den Fällen der Figuren 1 und 2, durch einzelne
am Umfang vorgesehene Zähne oder, wie im Fall der Ausführung nach Figur 3, durch
aus einer Vielzahl von Zähnen 20 eines Zahnrades 19 ausgewählte Zähne gebildet sein.
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Die Signalerfassung erfolgt mit Hilfe eines Sensors 3, der beispielsweise
durch einen induktiven Sensor gebildet sein kann, der eine nicht näher bezeichnete
Induktionsspule auf einem einen Dauermagneten enthaltenden Magnetkreis aufweist,
wobei dieser Magnetkreis durch den Vorbeilauf der jeweils am Bauteil vorgesehenen
Zähne geschlossen und durch den Vorbeilauf der nachfolgenden Zahnlücke geöffnet
wird. Beim Schließen und Öffnen dieses Magnetkreises werden elektrische Impulse
in der Induktionsspule induziert, die in einer Impulsumformerstufe 4 in Rechteckimpulse
umgewandelt werden. Diese Rechteckimpulse, die etwa den mit 9 bezeichneten Verlauf
aufweisen, werden auf den Takteingang des Schieberegister 5 geführt, dessen Länge
der um 1 erhöhten Zahl der je Arbeitsspiel des Bauteils 1 abgegebenen Signale der
Marken 2 entspricht.
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Bei jedem neu eintreffenden Rechteckimpuls wird der Zählerstand (=
Eingangszeitpunkt) der v;u einem Zeitzähler 6 fortlaufend zugeführt wird, in der
letzten Stufe 5n + 1 gespeichert und das Schieberegister gleichzeitig um eine Stufe
weitergeschoben, so daß die zuvor gespeicherten Zeitpunkte stufenweise nach vorn
geschoben werden.
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Bei dem in der Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel, bei dem als
Bauteil 1 die Kurbelwelle einer Vierzylinder-Viertakt-Brennkraftmaschine mit vier
Zündungen auf zwei Kurbelwellenumdrehungen zugrundegelegt
wird,
werden folglich bei einem zwei Umdrehungen umfassengeñ Arbeitsspiel von den vier
auf dcm Umfang der Welle verteilt angeordneten Marken 2a - 2d insgesamt acht Signale
abgegeben. Die Länge des Schieberegisters 5 würde dann neun Stufen 51' 52 ... -
59 umfassen, in denen jeweils die von dem Zeitzähler 6 gelieferten Zeitpunkte der
einkommenden Signale fortlaufend gespeichert werden.
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Die erste und letzte Stufe 51 und 5n+1 dieses Schieberegisters 5,
in denen jeweils der Zeitpunkt der Signalabgabe ein-und derselben Marke 2 im Abstand
eines vollen Arbeitsspiels gespeichert sind, sind mit einem Subtraktionsglied 7
verbunden, in dem die Differenz der in diesen Stufen gespeicherten Zeiten ermittelt
und einem Kehrwertbildner 8 zugeführt werden. Am Ausgang 16 dieses Kehrwertbildners
8 steht dann die Rotationsgeschwindigkeit bzw. Drehzahl des Bauteils 1 an.
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In der Figur 2 der Zeichnung ist das Schieberegister 5' durch eine
weitere Stufe ergänzt, indem hinter der Stufe 5n + 1 die Stufe 5n + 2 zusätzlich
vorgesehen ist. Mit Hilfe dieser zusätzlichen Stufe läßt sich die Beschleunigung
des Bauteils durch Bildung des Differenzenquotienten zweier aufeinanderfolgender
Geschwindigkeits- bzw. Drehzahlmessungen bilden. Während nämlich die Drehzahl der
Kurbelwelle sich aus der zwischen zwei im Abstand eines Arbeitsspiels erscheinenden
Signalen derselben Marke, das heißt also bei einem Arbeitsspiel von zwei Umdrehungen
bei einem Viertakt-Motor zu n ergibt, wobei At die Zeit zwischen den beiden im Abstand
eines Arbeitsspiels von einer Marke abgegebenen Signalen ist, ergibt sich die Beschleunigung
zu
Hierbei ist n1 - n0 die Differenz der mit zwei aufeinanderfolgenden Marken ermittelten
Drehzahlen und t1 und t0 sind die Zeitpunkte des letzten Eintreffens de Marken.
Zusätzlich zu dem einen Subtraktionsglied 7 der in der Figur 1 gezeigten Auswerteeinheit
10 weist die in der Figur 2 vorgesehene Auswerteeinheit 10' ein zweites Subtraktionsglied
11 auf, das die Differenz der Zeiten zwischen der zweiten und der (n + 2) ten Stufe
des Schieberegisters 5' erfaßt. Die Ausgangswerte dieser beiden Subtraktionsglieder
7 und 11 werden jeweils einem Kehrwertbildner 8 bzw.
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12 und derer Ausgangswerte einem Subtraktionsglied 13 zugeführt, das
die Differenz dfr mit jeweils zwei aufeinanderfolgenden Marken gemessenen
Drehzahlen
ermittelt. Die Auswerteeinheit 10' weist weiterhin ein viertes Subtraktionsglied
14 auf, das die zwischen/dnnden beiden ersten Stufen des Schieberegisters gespeicherten
Zeitpunkten vergangene Zeit, und damit also die Zeit zwischen den beiden aufeinanderfolgenden
Marken, ermittelt. Die Ausgangswerte der Subtraktionsglieder 13 und 14 werden einem
Quotientenbildner 15 zugeführt, wobei der Ausgangswert des die Drehzahl differenz
der beiden aufeinanderfolgenden Marken erfassenden Subtraktionsgliedes 13 als Zähler
und der Ausgangswert des die Zeitdifferenz zweier aufeinanderfolgender Signale erfassenden
Subtraktionsgliedes 14 als Nenner herangezogen werden. Am Ausgang 17 des Quotientenbildners
15 steht dann die Beschleunigung und am Ausgang 16, wie bereits bei der Ausführung
nach Figur 1, die Drehzahl des Bauteils 1 bzw. der Kurbelwelle an.
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Bei der Ausführung nach der Figur 3 wird zur Signalbildung in an sich
bekannter Weise das Anlasserzahnrad 19 der Kurbelwelle 1 herangezogen, das mit einer
Vielzahl von Zähnen 20 versehen ist. Selbstverständlich wäre es nun möglich, alle
Zähne dieses Anlasserzahnkranzes 19 als Marken zur Ermittlung der Drehzahl der Kurbelwelle
heranzuziehen, jedoch würde dies eine sehr große Länge des Schieberegisters erfordern,
indem dann unter Zugrundelegung der Verhältnisse eines Viertakt-Motors, bei dem
also zwei Umdrehungen der Kurbelwelle ein Arbeitsspiel ausmachen, mehr als doppelt
so viel Schieberegisterstufen wie Zähne des Anlasserzahnkranzes vorgesehen sein
müßten. Um die Länge des Schieberegisters zu beschränken, können ohne wesentlichen
Informationsverlust bestimmte Zähne des Zahnkranzes als Marken verwendet werden,
wobei diese Marken etwa gleichmäßig über den Umfang verteilt sein sollten.
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Um nun nur die von diesen bestimmten Marken 2a - 2d abgegebenen Signale
al Taktsignale des Schieberegisters 5 zu benutzen, ist bei der Ausführung nach der
Figur 3 dem Impulsumformer 4 ein Selektierglied 25 nachgeschaltet, das von den von
dem Impulsumformer 4 abgegebenen Signalen 21 nur die den einzelnen Marken zugeordneten
Signale 9 auswählt und an das Schieberegister 5 weitergibt. Dieses Selektierglied
25 weist z. B. einen Abwärts zähler 22 auf, an dessen Eingang die von dem Impulsvmformer
4 abgegebenen und von allen Zähnen 20 des Anlasserzahnkranes 19 kommenden Signale
21 anstehen. Am Ausgang dieses Abwärtszählers
stehen die Signale
9 an, die den als Marken 2a - 2d ausgesuchten Zähnen des Zahnkranzes 19 entsprechen.
Der Abwärtszähler 22 gibt dabei jeweils bei Erreichen des Zählerstandes Null ein
Signal 9 ab. Gleichzeitig wird über den Setzeingang ein neuer von einer Stufe 23a
- 23d kommender Zählwert geladen. Diese Zählwerte entsprechen den Zahnzahlen zwischen
den Marken. Zwischen den Stufen 23a - 23d wird jeweils zyklisch weitergeschaltet.
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Beispielsweise sei angenommen, daß die Zähnezahl des Anlasserzahnkranzes
113 beträgt. In den vier Stufen 23a -. 23d des Zähnezählers 23 können dann die Zähnezahlen
28 und 29 abgespeichert sein, so daß die dem Schieberegister zugeführten Signale
9 jeweils nach Vorbeilauf von dreimal 28 und einmal 29 Zähnen an dem Sensor 3 abgegeben
werden. Die Summe dieser in den einzelnen Stufen des Zähne zählers 23 abgespeicherten
Zähnezahlen muß dann der Summe der je Arbeitsspiel am Sensor 3 vorbeilaufenden Zähne
bzw. einem Bruchteil dieser Summe oder einem Vielfachen dieser Summe entsprechen.
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Anstelle eines induktiven Aufnehmers 3, der das Vorbeilaufen von am
Umfang des umlaufenden Bauteils angeordneten Marken, vorzugsweise von zahnförmigen
Marken, ermittelt, können selbstverständlich auch andere an sich bekannte Aufnehmer
vorgesehen sein, die beim Vorbeilaufen der einzelnen, winkelfest dem Bauteil zugeordneten
Marken Signale abgeben. So könnten für den Fall, daß die Drehzahl der Kurbelwelle
einer Brennkraftmaschine gemessen werden soll, die mit einer z. B. einen Unterbrecherkontakt
oder einen elektronischen Zündzeitpunktgeber aufweisender Zündanlage ausgerüstet
ist, auch die von diesen Zündzeitpunktgeber ausgegebenen Zündimpulse für die Drehzahlmessung
herangezogen werden. Diese Zündimpulse werden von dem Unterbrecherkontakt bzw. dem
elektronischen Zündzeitpunktgeber bei einer Vierzylinder-Viertakt-Brennkraftmaschine
viermal je Arbeitsspiel, das heißt zweimal je Kurbelwellenumdréhung, abgegeben und
können in gleicher Weise wie die von dem induktiven Meßwertaufnehmer 3 abgegebenen
Impulse weiterverarbeitet werden.
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Die entscheidenden Vorteile des erfindungsgemäßen Drehzahlmeßverfahrens
bestehen darin, daß bei vollständigem Informationserhalt eine
optimale,
sich selbsttätig der Motordrehzahl anpassende Störunterdrückung erreicht wird. Die
Drehzahlsignale können von Zahnrädern mit beliebiger Zahnzahl abgeleitet werden,
wobei eine Vorteilung und Umschaltung des Teilungsverhältnisses in einem heranzuziehenden
Mikroprozessor mit durchgeführt werden kann, so daß der Hardware-Aufwand für eine
externe Filterung entfällt.
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