DE3216036A1 - Verfahren und vorrichtung zum bestimmen der drehzahl einer drehachse - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der Drehzahl
• einer Drehachse Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Drehzahl einer mit einem Achsimpulsgeber gekoppelten Drehachse durch Ermitteln der Zeitdauer einer vorgegebenen Anzahl von Perioden der vom Impulsgeber erzeugten Achsimpulse Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchftlhrung des Verfahrens.
• Die Drehzahl von Drehachsen, z.B. der Radachsen von elektrischen Bahnen, muß häufig schnell erfaßt werden, damit die Regelung der Achsgeschwindigkeit und Achsbeschleunigung beispielsweise bei einem Gleiten oder Schleudern der Räder rasch reagieren kann. Als Meßglieder sind an die Drehachsen Achsimpuisgeber angekoppelt, die beispielsweise an ihrem Umfang in äquidistanten Abständen angebrachte Marken aufweisen kannen, so daß jeweils nach bestimmten Winkelschritten, denen beim Abrollen der entsprechenden Räder gleiche Wegabachnitte entsprechen, ein Achsimpuls abgegeben wird. Die Achsimpulse werden dann in eine geschwindigkeitsproportionale (analoge oder digitale) Größe umgesetzt.
• Zur Auswertung der Achsimpulse bieten sich zwei grundsätzliche Verfahren an. Nach dem einen Verfahren wird die Zeitdauer einer Periode oder einer vorgegebenen Anzahl von Perioden der Achsimpulse gemessen (Zeitmessung bei konstantem Weg). Da Jedoch die Markenabstände am Umfang des Achsimpulsgebers nicht genau äquidistant sind, ergibt sich dabei ein Äquidistanz- fehler, der relativ hoch werden kann. Hinzu kommt die Ungenauigkeit der Zeitmessung, denn üblicherweise wird die Zeitmessung dadurch vorgenommen, daß von einen als Zeitschrittgeber dienenden Oszillator Zeitschritt-Impulse abgegeben und in einem nachfolgenden Zeitschritt-Impulszähler gezählt werden. Dde Zeitskala ist also diskontinuierlich und bedingt einen Quantisierungs fehler.
• Nach dem zweiten Verfahren werden während einer fest vorgegebenen Zeitdauer (Meßzeit) die Achsimpulse gezählt (Wegmessung bei konstanter Zeit). Bei hinreichend langer Meßdauer können die Meßfehler hierbei klein gehalten werden, Jedoch bedingt dies lange Meßzeiten, die für eine rasche Erfassung, z.B. den erwähnten Gleit-und Schleuderschutz, unerwEnscht oder sogar unzulässig sind.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drehzahlerfassung anzugeben, bei der gegenüber diesen bekannten Verfahren bei gleicher Genauigkeit die Meßdauer wesentlich verkürzt oder bei gleicher Meßdauer die Neßgenauigkeit wesentlich erhöht wird.
• Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch die im Anspruch 1 angegebenen erkmale.
• Gemäß der Erfindung wird demnach zwar auch die Zeitdauer einer oder mehrerer Perioden der vom Impulsgeber erzeugten Achsimpulse bestimmt, d.h. es findet auch hier eine Zeitmessung statt. Jedoch wird die Anzahl der für die Zeitmessung vorzugebenden Achsimpuls-Perioden nicht fest vorgegeben, sondern Jeweils in Abhängigkeit von der Drehzahl bestimmt. Neben der zu messenden Zeitdauer ist also auch die Zahl der während der Zeitdauer abgegebenen Achsimpulse, d.h. der zurückgelegte Weg, veränderlich und muß erfaßt werden. Die Drehzahl ergibt sich dann als Quotient von Weg und Zeit, d.h. als Quotient der Periodenanzahl und der Zeitdauer.
• FUr die Messung der Zeitdauer kann zunächst eine Mindestdauer festgelegt werden, wobei die Anzahl der vorzugebenden Achsimpuls-Perioden dann durch die Anzahl der innerhalb der Mindestdauer abgegebenen Achsimpulse bestimmt wird. Tatsächlich gemessen wird dann die Länge (Zeitdauer) der auf diese Weise bestimmten Anzahl von Achsimpuls-Perioden, so daß die tatsächliche Meßzeit von dieser Mindestdauer abweicht und nie kleiner als diese Mindestdauer werden kann.
• Eine geeignete Vorrichtung und bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Anhand von einem Ausführungsbeispiel und drei Figuren wird die Erfindung näher erläutert.
• Figur 1 zeigt den schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, in Figur 2 ist der Verlauf verschiedener Spannungen innerhalb der Vorrichtung dargestellt und Figur 3 zeigt eine gerätetechnische Realisierung der Vorrichtung nach Figur 1.
• In Figur 1 ist mit 1 der Achsimpulsgeber (Achsimpulse Ii, Pulsfrequenz !1) dargestellt, dem ein Achsimpuls-Zähler 3 (Jeweiliger Zählerstand Z1) nachgeschaltet ist. Ein Oszillator 2 dient als Zeitschritt-Impulsgeber und liefert entsprechende Zeitschritt-Impulse I2 (Frequenz f2), die in einem Zeitschritt-Impulszähler 4 (Jeweiliger Zählerstand Z2) gezählt werden. Einer Vergleichseinrichtung 5 ist eine Mindest-Anzahl Zin eingegeben, die mit der Jeweils vom Zähler 4 gezählten Anzahl Z2 von Zeitschritt-Impulsen verglichen wird.
• Den Zählern 3, 4 sind Speicher 6, 7 nachgeschaltet, an deren Ausgänge ein Rechenglied 8 zur Ermittlungider Drehzahl aus den gespeicherten Werten für die Meßzeit (Zeitdauer) und die Achsimpuls-Periodenanzahl angeschlossen ist.
• Eine Zeitsteuereinrichtung 9 steuert das Rücksetzen der Zähler 3, 4 und das Einlesen der Zählerstände in die Speicher 6, 7. Die Zeitsteuerung arbeitet so, daß für die Zeitdauer-Messung zunächst durch einen Achsimpuls der Achsimpulszähler 1 und ein Zeitgeber, in diesem Fall der Zeitschritt-Impulszähler 4, gestartet werden.
• Dies geschieht durch einen entsprechenden Ansteuerbefehl auf die Rücksetzeingänge R der Zähler 3, 4. Mit diesem Rücksetzbefehl beginnt die Zeitdauer-Messung.
• Zeigt das Vergleichsglied 5 durch Vergleich des Zähler standes Z2 mit der für die Mindestdauer eingegebenen Mindest-Anzahl Z2minan, daß die vorgegebene Mindestzeit erreicht ist, so kann beim Auftreten des nächsten Achsimpulses die Messung beendet werden. Hierzu kann z.B.
• ein UND-Gatter 10 verwendet werden, dem ein vom Vergleichsergebnis des Vergleichers 5 abhängiges Signal und ein vom Auftreten eines neuen Achsimpulses abhängiges Signal zugeführt sind. Beim nächsten Auftreten eines Achsimpulses nach Ablauf der Mindestdauer liefert das UND-Gatter 10 also einen Impuls, der auf die Vorbereitungseingänge E der Speicher 6, 7 gegegen werden kann, um das Einlesen der Zählerstände Z1, Z2 in den Speicher zu steuern. In Figur 1 ist schematisch mit 11 ein Zeitglied dargestellt, durch das die Zähler 3 und 4 unmittelbar nach Auslesen ihres Zählerstandes durch den Zeitsteuerimpuls auf ihre Rücksetzeingänge R rückgesetzt werden. Damit ist ein Zyklus der Zeitsteuereinrichtung 9 beendet und die Zähler 3, 4 beginnen mit dem Zählen für eine neue Meßzeit.
• Die Speicher 6, 7 enthalten also nach Jedem Zyklus die Meßzeit für die Zeitdauer seit dem Start des Zeitgebers (Zeitschritt-Impulszähler 4) und die Anzahl während dieser Zeitdauer gezählten Achsimpulse. Am Rechenglied 8 kann die Drehzahl als Quotient der gezählten und gespeicherten Achsimpulsanzahl und der gemessenen und gespeicherten Zeitdauer abgerufen werden.
• Das Verfahren sei anhand der Impulsdiagramme in Figur 2 näher erläutert. Mit 11 sind die Impulse des Achsimpulsgebers 1 bezeichnet, die die Frequenz f1 aufweisen. Für die Zeitmessung dienen die Impulse I2 eines Zeitgebers.
• Als Zeitgeber dient der Oszillator, der Zeitschritt-Impulse mit einer wesentlich über der maximalen Achaimpulsfrequenz liegenden Pulsfrequenz erzeugt, wobei diese Pulsfrequenz i2 vorzugsweise konstant vorgegeben wird.
• Der Meßvorgang beginnt mit einem ImpulRlS11 am RUcksetzeingang der Zähler 3 und 4 und endet mit dem Befehl S10 auf den Speichern 6, 7 zum Auslesen und Speichern der Zählerstände. Die Befehle S10 und S11 können bei der schematischen Darstellung nach Figur 1 an den entsprechenden Bauelementen 10 und 11 abgegriffen werden, ihre schaltungstechnische Erzeugung wird anhand von Figur 3 noch näher erläutert werden. Die Zählerstände Z1 Z2 der Zähler 3 und 4 sind ebenfalls in Figur 2 dargestellt, wobei mit Z2min die der Mindestdauer entsprechende, vorgegebene Mindestanzahl von Zeitschritten eingezeichnet ist. Ferner ist das Ausgangssignal S5 des Vergleichers 5 angegeben.
• Für die Zählung der Achsimpulse werden in diesem Beispiel die absteigenden Flanken der Impulse 11 ausgewertet, während für den Start des Zeitgebers und des Achsimpulszählers die aufsteigenden Flanken verwertet werden.
• Selbstverständlich kann die Rolle der Flanken auch vertauscht werden. Im allgemeinen wird die vom Zähler 1 gezählte Flanke zu einem Zeitpunkt t1 oder t2 auftreten, der weder mit dem Erreichen des Wertes Z2min noch mit dem Auftreten einer vom Zeitschritt-Impulszähler ausgewerteten Flanke der Impulse I2 zusammenfällt . Um trotzdem zu definierten Ansteuerbefehlen für die Speicher 6 und 7 zu gelangen, wird anstelle der in Figur 1 gezeigten Zeitsteuereinrichtung 9 die in Figur 3 gezelgte Steuereinrichtung 9' verwendet, bei der das Ausgangssignal der Vergleichseinrichtung 5 auf ein ODER-Gatter 12 gegeben, dessen anderer Eingang von einem Signal S14 beaufschlagt ist. Das Ausgangssignal S12 des Gatters 12 ist zum Löschen einer ersten Flip-Flop-Schaltung 13 auf deren "Clear"-Eingang C gegeben, während dem D-Eingang dieses Flip-Flops ein konstantes "High"-Signal H aufgeschaltet ist. Der dynamische Eingang dieses Flip-Flops ist von den Achsimpulsen beaufschlagt, so daß am Ausgang das mit S13 bezeichnete Signal ansteht. Mit diesem Signal S13 wird das Flip-Flop 14 angesteuert, dessen dynamischer Eingang mit den Impulsen I2 des Oszillators 2 beaufschlagt ist. Dadurch wird das Ausgangssignal 514 gebildet, das zusammen mit den Zeitschritt-Impulsen I2 dem UND-Gatter 10 zugeführt ist und dort das bereits erwähnte Signal 570 zum Auslesen und Speichern der Zählerstände erzeugt. Durch diese Schaltung wird also bewirkt, daß mit dem ersten nach einem Achsimpuls I7 auftretenden Impuls des Zeitgebers in einem ersten, vom Zeitgeber gesteuerten Schritt (Steuerimpuls S10) die Zählerstände für die Zeitdauer (Meßzeit) und die während dieser Zeitdauer abgegebenen Achsimpulse (also der zurückgelegte Weg) ausgelesen werden. Damit ist der Meßvorgang beendet.
• Um in einem nächsten, vom Zeitgeber gesteuerten Schritt (Stoerimpuls S11) die Zähler für die neubeginnende Meßdauer rückzusetzen, ist dem Ausgang der Flip-Flop-Schaltung 14 eine dritte Flip-Flop-Schaltung 15 nachgeordnet, deren Dynamikeingang ebenfalls mit dem Zeitgebersignal 12 beaufschlagt ist. Das Ausgangssignal S15 dieses dritten Flip-Flops ist zusammen mit dem Zeitgebersignal 12 einem weiteren UND-Gatter 11' zugeführt, das damit die Rücksetzbefehle S11 für die RUcksetzeingänge der Zähler 3 und 4 bildet und den nächsten Meßvorgang ermöglicht. Selbstverständlich kann der ganze Meßvorgang auch von einem geeignet programmierten Mikroprozessor durchgeführt werden.
• Der relative, durch die diskrete Zeitmessung (Impulsdauer von 12) hervorgerufene Meßfehler kann durch ntsprechend hohe Wahl der Oszillatorfrequenz f2 geringgehalten werden. Diesem relativen Quantis ierungsfehler entspricht ein absoluter Quantisierungsfehler, der erst bei hohen Geschwindigkeiten merkbar wird. Der durch ungleiche Justierung der Marken auf dem Umfang des Achsimpulsgebers hervorgerufene relative Xquidistanzfehler nimmt mit zunehmender Drehzahl ab, da bei zunehmender Drehzahl die Zahl der innerhalb der Meßzeit erfaßten Achsimpulse zunimmt. Solange daher die Drehzahl einen gewissen oberen Grenzwert nicht überschreitet, kann insgesamt mit einem geringen, nur durch die Justierung der Marken bedingten absoluten Meßfehler gerechnet werden. Die Genauigkeit dieser Anordnung ist gegenüber einer nur auf einer Zeitmessung (Zeitdauer für eine fest vorgegebene Anzahl von Achsimpuls-Perioden) oder einer reinen Wegmessung (Zahl der Achsimpulse innerhalb einer rest vorgegebenen Zeitdauer), um den Faktor 5 bis 10 höher bzw. bei etwa gleicher Genauigkeit ergibt sich eine um diesen Faktor geringere Meßzeit.
• 3 Figuren 8 Patentansprüche

Claims (8)

1. PatentansPrUche ¼Ö1.Verfahren zum Bestimmen der Drehzahl einer mit einem Achsimpulsgeber (1) gekoppelten Drehachse durch Ermitteln der Zeitdauer einer vorgegebenen Anzahl von Perioden der vom Achsimpulsgeber erzeugten Achsimpulse 1i), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Zeitdauer-Messung die Periodenanzahl in Abhängigkeit von der Drehzahl vorgegeben und die Drehzahl als Quotient von Periodenanzahl und Zeitdauer bestimmt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß eine Mindestdauer (Z2min) fUr die Zeitdauer-Messung festgelegt wird und daß der Zeitdauer-Messung als Periodenanzahl die Anzahl der innerhalb der Mindestdauer abgegebenen Achsimpulse vorgegeben Wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Zeitdauer-Messung durch einen Achsimpuls (11) eingeleitet wird, durch den ein Achsimpulszähler (3) und ein Zeitgeber (4) gestartet wird, daß beim nächsten Achsimpuls nach Ablauf der Mindestdauer die Zeitdauer-Messung beendet wird, indem die Zeitdauer seit dem Start des Zeitgebers und die Anzahl der während der Zeitdauer gezählten Achsimpulse festgestellt wird, und daß die Drehzahl als Quotient der Achsimpuls-Anzahl und der Zeitdauer gebildet wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Start des Zeitgebers und des Achsimpulszählers von einer aufsteigenden Flanke eines Achsimpulses eingeleitet und die absteigenden Flanken der Achsimpulse vom Achsimpulszähler gezählt werden oder umgekehrt.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als Zeitgeber ein Oszillator (2) zur Erzeugung von Zeitschritt-Impulsen (12) mit einer Uber der Achsimpulsfrequenz (f1) liegenden Pulsfrequenz (f2) verwendet wird, dem ein Zeitschritt-Impulszähler (4) nachgeschaltet ist, daß eine der Mindestdauer entsprechende Anzahl (Z2min) von Zeitschritt-Impulsen vorgegeben wird, und daß als Zeitdauer der Zählerstand (Z2) des Zeitschritt-Impulszählers (4) zu dem Zeitpunkt abgelesen wird, an dem der Zählerstand (Z2) des Zeitschritt-Impulsgebers mindestens so groß ist wie die der Mindestdauer entsprechende Mindest-Anzahl (Z2min) von Zeitschritten und der Achsimpulsgeber (2) wieder einen Achsimpuls (I2) abgibt.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Impulsfrequenz des Zeitgebers konstant vorgegeben wird.
7. 7. Verfahren nach einem der Anspruche 3 bis 6, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zum Beenden der Zeitdauer-Messung in einem ersten durch den Zeitgeber gesteuerten Schritt die Zählerstände des Zeitschritt-Impulszählers (2) und des Achsimpulszählers (1) in entsprechende Speicher (6, 7) eingelesen und mit dem nächsten, vom Zeitgeber (2) gesteuerten Schritt die Zähler ruckgesetzt werden.
8. 8. Vorrichtung zur DurchfUhrung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, g e k e n n z e i c h -n e t durch a) einen Achsimpulsgeber (i zu mit nachgeschaltetem Achsimpulszähler (3), b) einen Oszillator (2) als Zeitschritt-Impulsgeber mit nachgeschaltetem Zeitschritt-Impulszähler (4), c) den Zählern nachgeschaltete Speicher (6, 7), d) eine Vergleichseinrichtung (5) fUr den Zählerstand (Z2) des Zeitschritt-Impulsgebers (4) und eine Mindest-Anzahl (Z2min) von Zeitschritt-Impulsen, e) eine Zeitsteuereinrichtung (9), die nach Uberschreiten der Mindest-Anzahl von Zeitschritt-Impulsen beim nächsten Achsimpuls einen Steuerimpuls (S10) zum Einlesen der Zählerstände (Z1 Z2) in die Speicher (6, 7) und einen nachfolgenden Impuls (S11) zum RUcksetzen der Zähler (3, 4) abgibt, und f) ein Rechenglied (8) zum Ermitteln der Drehzahl aus den Speicherinhalten.