DE3543705A1

DE3543705A1 - Verfahren zur ermittlung des von einem motor auf eine rotierende last wirkenden lastmomentes

Info

Publication number: DE3543705A1
Application number: DE19853543705
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Ing. Knittelfeld Kogler; Eduard Dipl.-Ing. Linz Schellenberg; Gerhard Dipl.-Ing. Steinbrucker; Alfred Ing. Zeltweg Zitz
Original assignee: Voestalpine AG
Current assignee: Sandvik Mining and Construction GmbH
Priority date: 1984-12-21
Filing date: 1985-12-11
Publication date: 1986-06-26
Also published as: ATA408084A; AT382462B; JPS61155826A; ZA859518B; GB8530066D0; PL256986A1; AU5152285A; GB2168819A; CN85109067A; FR2575288A1

Description

VOEST-ALPINE AKTIENGESELLSCHAFT. A- 38 4 54 /tje ,- . « rr _n r Muidenstraße 5 0θ4θ/ϋθ

Linz / Österreich , 10. Dezember 1985

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung des von einem Motor auf eine rotierende Last wirkenden Lastmomentes, bei welchem aus Dreh-ahlmessungen der Differentialquotient der Winkelgeschwindigkeit nach der Zeit gebildet und dieser Differentialquotient mit einem dem Gesamtträgheitsmoment proportionalen Faktor multipliziert wird und der erhaltene Wert von einem, einer meßbaren, augenblicklichen Betriebsgröße entsprechendem Motorantriebsmoment abgezogen wird.

In vielen Fällen ist es erwünscht, das Drehmoment an rotierenden Wellen meßtechnisch zu erfassen, um über die jeweiligen Lastbedingungen informiert zu sein. Hiezu sind verschiedene Meßeinrichtungen bekannt geworden, etwa die Anordnung von Dehnmeßstreifen an der rotierenden Welle, die aus der Messung der Torsionsspannung die Drehmomentermittlung gestatten. Oft läßt sich mit Hilfe der bekannten Methoden das Drehmoment nicht oder nur unter großem Aufwand ermitteln, weil etwa die entsprechende Welle nicht zugänglich ist oder die verwendeten Meßgeräte nicht genügend robust sind.

Bei einem bekannt gewordenen Verfahren der eingangs genannten Art (DE-OS 27 02 981J wird der Ankerstrom eines Gleichstrommotors gemessen und mit einer Konstanten multipliziert, wobei man ein Signal erhält, das dem Maximalmoment bei vollem Erregerfeld entspricht. Bei Motoren mit oft wechselnden Betriebsbedingungen erhält man auf diese Weise nur relativ ungenaue Werte und bei anderen Motoren, wie z.B. bei Brennkraftmaschinen, ist dieses Verfahren überhaupt nicht anwendbar.

Um die Leistungsfähigkeit einer Brennkraftmaschine über-

wachen zu können,ist zur Bestimmung des durchschnittlichen Drehmomentes aus der DE-OS 31 03 ö48 ein Verfahren bekannt geworden, bei welchem in einem Hoch- und einem Auslaufversuch die Durchlaufzeiten zwischen zwei Drehzahlschwellwerten erfaßt werden. Aus diesen Zeiten läßt sich nach einer bekannten Formel das durchschnittliche Drehmoment berechnen. Das in vielen Fällen interessierende augenblickliche Drehmoment kann hiedurch jedoch nicht bestimmt werden.

Es ist ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren und eine Anordnung zu schaffen, die auf einfache und zuverlässige Weise die Ermittlung des von einem Motor auf eine rotierende Last ausgeübten augenblicklichen Drehmomentes sehr genau ermöglicht.

Dieses Ziel läßt sich mit einem Verfahren der eingangs genannten Art erreichen, bei welchem erfindungsgemäß zunächst der Verlauf des Motorantriebsmomentes in Abhängigkeit von der meßbaren Betriebsgröße, z.B. der Drehzahl, des Motorstromes bei Elektromotoren oder des Ansaugdruckes bei Brennkraftmaschinen in einem Speicher abgespeichert und sodann zur Messung das jeweilige Motorantriebsmoment aus dem Speicher abgerufen wird.

Das Verfahren nach der Erfindung bietet den Vorteil, daß bloß eine Drehzahlmessung in aufeinanderfolgenden Abständen erforderlich ist, um zu dem gewünschten jeweiligen Lastmoment zu gelangen. Eine Drehzahlmessung läßt sich auf analoge Weise nach bekannten Methoden immer, auch unter erschwerten Bedingungen durchführen.

Bei einem Verfahren zur Ermittlung des von einem Elektromotor auf eine rotierende Last wirkenden Lastmomentes,

bei welchem die Drehzahlen in einem vorgegebenen Zeitabstand gemessen werden, ist es zweckmäßig, wenn die erste gemessene Drehzahl mit einem ersten Gewichtsfaktor und die zweite gemessene Drehzahl mit einem zweiten Gewichtsfaktor multipliziert werden, die so erhaltene zweite gewichtete Drehzahl von der ersten gewichteten Drehzahl subtrahiert wird und zu der so erhaltenen Differenz eine dem Motorantriebsmoment bei der Drehzahl Null entsprechende Konstante addiert wird. Dieses Verfahren geht davon aus, daß sich die Abhängigkeit des elektrischen Antriebsmomentes eines Elektromotors von der Drehzahl in vielen Fällen mit genügender Genauigkeit als Gerade darstellen läßt, wodurch die Verwendung eines Kennlinienspeichers entfallen kann.

Hiebei kann es im Sinne einer Vereinfachung des Verfahrens

zweckmäßig sein, wenn die Multiplikation aufeinanderfolgend gemessener Drehzahlen mit den Gewichtsfaktoren durch Zählung von Impulsen mit der Drehzahl proportionaler Pulsfrequenz je über Zähl zeiten durchgeführt wird, deren Länge den Gewichtsfaktoren proportional ist.

Eine vorteilhafte Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß der Ausgang eines Drehzahlgebers mit dem Eingang eines Umschalters verbunden ist und dessen beide Ausgänge mit den Eingängen zweier Zwischenspeicher verbunden sind, wobei ein Taktgeber vorgesehen ist, der zur Abgabe von Zeittaktsignalen eingerichtet ist und dessen Ausgänge mit dem Steuereingang des Umschalters und mit den Steuereingängen der beiden Speicher verbunden sind, daß die Ausqr.nge der abwechselnd abrufbaren Speicher mit den beiden Eingängen eines ersten Subtrahierers verbunden sind, daß ein Dividierer vorgesehen ist, dessen einer Eingang mit dem Ausgang des Subtrahierers verbunden und dessen* anderen Eingang ein Signal des Taktgebers zugeführt ist, daß ein Kennlinienspeicher vorgesehen ist, in dem der Verlauf des Motorantriebsmomentes in Abhängigkeit von einer meßbaren Betriebsgröße, z.B. der Drehzahl, abgespeichert ist und dessem Abrufeingang diese Betriebsgröße zugeführt ist, wobei am Ausgang des Kennlinienspeichers der jeweilige Wert des Motorantriebsmomentes vorliegend daß ein zweiter Subtrahierer vorgesehen ist, dessen erster Eingang mit dem Ausgang des Kennlinienspeichers und dessen zweiter Eingang mit dem Ausgang des Dividierers verbunden ist.

Bei einer Ausbildung dieser Anordnung, bei welcher der Motor ein Elektromotor ist, kann es zweckmäßig sein, wenn ein Motorstromfühler vorgesehen ist, dessen Ausgang mit dem Eingang des Kennlinienspeichers verbunden ist.

Bei einer zweckmäßigen Anordnung zur Durchführung eines modifizierten Verfahrens wie oben angegeben, ist vorgesehen, daß der Ausgang eines Drehzahlgebers mit dem Eingang eines Umschalters verbunden ist und dessen beide Ausgänge mit den Eingängen zweier Zwischenspeicher verbunden sind, wobei dem Umschalter und den Zwischenspeichern ein zur Abgabe von Zeittaktsignalen eingerichteter Taktgeber zugeordnet ist, daß zwei Multiplizierer vorgesehen sind, deren erste Eingänge je mit einem Ausgang der Zwischenspeicher verbunden sind und deren zweiten Eingängen ein einem ersten bzw. zweiten Gewichtsfaktor entsprechendes Signal zugeführt ist, daß die Ausgänge der Multiplizierer mit den beiden Eingängen eines Subtrahierers verbunden sind und daß ein Addierer vorgesehen ist, dessen einer Eingang mit dem Ausgang des Subtrahierers verbunden und dessen anderem Eingang ein einem konstantem Faktor entsprechendes Signal zugeführt ist.

Hiebei kann es empfehlenswert sein, wenn der Drehzahlgeber in an sich bekannter Weise einen Impulsgeber und einen diesem nachgeordneten, von dem Taktgeber gesteuerten Impulszähler aufweist.

Die Erfindung samt ihren weiteren Vorteilen und Merkmalen ist im folgenden an Hand beispielsweiser Ausführungen näher erläutert, die in der Zeichnung veranschaulicht sind. In dieser zeigen Fig. 1 in einem Diagramm die Abhängigkeit des elektrischen Momentes und des Stromes eines Elektromotors von der Drehzahl, Fig. 2 eine Anordnung nach der Erfindung zur Ermittlung des Lastmomentes in schematischer Darstellung und Fig. 3 eine andere Anordnung nach der Erfindung zur Ermittlung des Lastmomentes.

Die Erfindung geht davon aus, daß sich zwischen dem Antriebsmoment eines Motors und einer meßbaren Betriebs-

größe dieses Motors im allgemeinen ein fester Zusammenhang angeben läßt. In Fig. 1 ist am Beispiel eines Elektromotors die Abhängigkeit des elektrischen Antriebsmomentes MeI von der Drehzahl η gezeigt. In dem Diagramm ist außerdem der Verlauf des Motorstromes I über der Drehzahl aufgetragen. Daraus zeigt sich, daß den meßtechnisch unschwer erfaßbaren Betriebsgrößen Motorstrom oder Drehzahl eineindeutig ein bestimmtes elektrisches Moment M -, zugeordnet werden kann. Ähnliches gilt sinngemäß für andere Motoren, etwa Brennkraftmaschinen oder Hydraulikmotoren, bei welchen das Antriebsmoment z.B. dem Ansaugdruck oder dem Hydraulikdruck zugeordnet werden kann.

In Fig. 2 ist ein Elektromotor 1 schematisch dargestellt, dessen Rotor 2 über eine Welle 3 eine rotierende Last 4 antreibt. Der dem Motor 1 zugeführte Strom I kann mittels eines Stromfühlers 5, die Drehzahl η des Motors mittels eines Drehzahlgebers ö gemessen werden.

Gegenstand der Erfindung ist nun die Ermittlung des über die Welle 3 an die Last 4 übertragenen Lastmomentes M,. Für die auftretenden Momente kann folgende Gleichung angegeben werden:

Hierin bedeuten:

M , elektrisches Moment, welches den Motor

antreibt

cp Winkelbeschleunigung

(~) Trägheitsmoment der drehenden Massen

In Gleichung (1) ist M . auf Grund der jeweiligen Motor-

Charakteristik bekannt, wenn man die Drehzahl kennt. ist eine Systemkonstante und ig läßt sich wegen

aus einer Drehzahlmessung ableiten. Dies kann, wie auch im Ausführungsbeispiel gezeigt, durch Messung zweier Drehzahlwerte n. , Tij in einem Zeitabstand 4t und nachfolgender Division erfolgen:

dn n, - n,

— = — C3)

dt At

Dementsprechend weist die Anordnung nach Fig. 2 einen Umschalter 7 auf, dessen Eingang mit dem Drehzahlgeber verbunden ist und dessen Ausgänge zu den Eingängen von Zwischenspeichern 8, 9 geführt sind. Sowohl der Umschalter 7 als auch die Zwischenspeicher 8, 9 sind von einem Taktgeber 10 gesteuert. Hiedurch ist es möglich, in vorbestimmten Zeitintervallen die Drehzahl zu messen und die Differenz dieser Werte durch das Zeitintervall zu dividieren. Beispielsweise wird zu einem bestimmten Zeitpunkt die Drehzahl n.. gemessen und in dem Speicher 9 abgespeichert. Nach der Zeit Δι wird die Drehzahl n₉ gemessen und in dem Speicher 8 abgespeichert. Die Werte n_?, n.. werden einem Subtrahierer 11 zugeleitet,der die Differenz (n, - n,) bildet. Der Ausgang des Subtrahierers 11 ist mit einem der Eingänge eines Dividierers 12 verbunden, dem anderen Eingang des Dividierers 12 wird vom Taktgeber 10 ein der Zeit A t entsprechendes Signal zugeführt, sodaß am Ausgang des Dividierers das Signal (n₉ - n.)/At, gegebenenfalls multipliziert mit dem Faktor #"/30, vorliegt.

In einem Speicher 13 ist die Kennlinie M , in Abhängigkeit

von der Drehzahl η oder in Abhängigkeit vom Motorstrom I abgespeichert. Dementsprechend tritt am Ausgang des Speichers 13 ein Signal M , auf, daß zu dem augenblicklich vom Stromfühler 5 erfaßten Motorstrom I oder zu der von dem Drehzahlgeber 6 ermittelten Drehzahl η gehört. Der Ausgang des Speichers 13 ist mit einem Eingang eines zweiten Subtrahierers 14 verbunden, dessen anderer Eingang mit dem Ausgang des Dividierers 12 verbunden ist. Dementsprechend tritt am Ausgang des Subtrahierers 14 das zu ermittelnde Signal M, = M -, -^f <3_R auf.

In Fig. 1 ist eine Gerade eingezeichnet, durch welche der Verlauf des elektrischen Moments M , in einem gewissen Drehzahlbereich approximiert ist, woduch sich das elektrische Moment darstellen läßt als:

M_{el B} C - §- - n(t) (4)

mit η = n_o ergibt sich zusammen mit Gleichung (1) und (3):

M_L = C ₊ η, . -£ - ^ - n_o (£- - 2L .^fj (5) L 1 ₃₀ £_t ι. n₂ sO at

Wenn das Meßintervall At immer gleich lange gehalten wird, kann man die Gleichung (5) auch schreiben als

M_L = C + Ji₁Iv₁ - n_?k₂ C5')

^k1 - VS ■ § ^{Und k}2 - ⁽ SJ - VS ■ § >

Von dieser vereinfachten Darstellung ausgehend, läßt sich das Lastmoment mit der in Fig. 3 dargestellten Anordnung vermitteln.

Gemäß Fig. 3 ist ein Impulsgeber 15 an der Welle 3 oder an einem anderen rotierenden Teil der Anordnung Motor 1 - Last 4 angeordnet, der in bekannter Weise Impulse liefert, dercnPulsf requenz der Drehzahl proportional ist. Der Ausgang des Impulsgebers ist mit dem Eingang eines Zählers 16 verbunden, der von einem Taktgeber 17 gesteuert ist. Dieser Zähle.r 16 zählt während einer bestimmten Zeit die Impulse, deren Anzahl ein Maß für die Drehzahl ist. Der Ausgang des Zählers 16 ist mit dem Eingang eines Umschalters 18 verbunden. An dieser Stelle sei bemerkt, daß die Drehzahlermittlung auch anders, etwa wie in Fig. 2 dargestellt, z.B. auf analoge Weise, erfolgen kann.

Die beiden Ausgänge des Umschalters 18 sind mit den Eingängen von Zwischenspeichern 19, 20 verbunden, die - ebenso wie der Umschalter 18 - von dem Taktgeber 17 gesteuert sind. Der Umschalter 18 und die Speicher 19, 20 sind so gesteuert, daß in Abständen At gemessene Drehzahlen n₁, n₀ usw. abwechselnd in den Speicher 19, 20 gespeichert sind und dann an ihren Ausgängen zur Verfügung stehen. Die Ausgänge der Speicher 19, 20 sind je mit einem der Eingänge zweier Multiplizierer 21, 22 verbunden. Den anderen Eingängen sind Signale zugeführt, die den Konstanten k, bzw. k_o nach Gleichung (6) entsprechen.

Die Ausgänge der Multiplizierer 21, 22, an welchen die Produkte n.,k1 bzw. n_?k_o auftreten, sind mit den beiden Eingängen eines Subtrahierers 23 verbunden. An dem Ausgang des Subtrahierers 23 tritt demzufolge das Signal (η-Α.. - n2k_?) auf, das einem der Eingänge eines Addierers 24 zugeführt ist, dessem anderen Eingang ein der Konstanten C in Gleichung (4) bzw. (5) entsprechendes

Signal zugeführt ist, sodaß am Ausgang des Addierers das zu ermittelnde Signal M, auftritt, das einem Anzeigegerät 25 od.dgl. zugeführt ist.

Claims

Patentanspruch

1. Verfahren zur Ermittlung des von einem Motor auf eine rotierende Last wirkenden Lastmomentes, bei welchem aus Drehzahlmessungen der Differentialquotient der Winkelgeschwindigkeit nach der Zeit gebildet und dieser Differentialquotient mit einem dem Gesamtträgheitsmoment proportionalen Faktor multipliziert wird und der erhaltene Wert von einem, einer meßbaren, augenblicklichen Betriebsgröße entsprechendem Motorantriebsmoment abgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst der Verlauf des Motorantriebsmomentes in Abhängigkeit von der meßbaren Betriebsgröße, z.B. der Drehzahl, des Motorstromes bei Elektromotoren oder des Ansaugdruckes bei Brennkraftmaschinen in einem Speicher abgespeichert und sodann zur Messung das jeweilige Motorantriebsmoment aus dem Speicher abgerufen wird.

2. Verfahren zur Ermittlung des von einem Elektromotor auf eine rotierende Last wirkenden Lastmomentes, bei welchem die Drehzahlen in einem vorgegebenem Zeitabstand gemessen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die erste gemessene Drehzahl mit einem ersten Gewichtsfaktor und die zweite gemessene Drehzahl mit einem zweiten Gewichtsfaktor multipliziert werden, die so erhaltene zweite gewichtete Drehzahl von der ersten gewichteten Drehzahl substrahiert wird und zu der so erhaltenen Differenz eine dem Motorantriebsmoment bei der Drehzahl Null entsprechende Konstante addiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Multiplikation aufeinanderfolgend gemessener Drehzahlen mit den Gewichtsfaktoren durch Zählung von Impulsen mit der Drehzahl proportionaler Pulsfrequenz je über Zählzeiten durchgeführt wird, deren Länge den Gewichtsfaktoren proportional ist.

4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang eines Drehzahlgebers (6) mit dem Eingang eines Umschalters (8) verbunden ist und dessen beide Ausgänge mit den Eingängen zweier Zwischenspeicher (8, 9) verbunden sind, wobei ein Taktgeber (10) vorgesehen ist, der zur Abgabe von Zeittaktsignalen (Δι) eingerichtet ist und dessen Ausgänge mit dem Steuereingang des Umschalters (7) und mit den Steuereingängen der beiden Speicher (8, 9) verbunden sind, daß die Ausgänge der abwechselnd abrufbaren Speicher (8, 9) mit den beiden Eingängen eines ersten Subtrahierers (11) verbunden sind, daß ein Dividierer (12) vorgesehen ist, dessen einer Eingang mit dem Ausgang des Subtrahierers (11) verbunden und dessem anderen Eingang ein Signal (ZIt) des Taktgebers (10) zugeführt ist, daß ein Kennlinienspeicher (13) vorgesehen ist, in dem der Verlauf des Motorantriebsmomentes (MeI) in Abhängigkeit von einer meßbaren Betriebsgröße, z.B. der Drehrahl (n), abgespeichert ist und dessem Abrufeingang diese Betriebsgröße zugeführt ist, wobei am Ausgang des Kennlinienspeichers (13) der jeweilige Wert des Motorantriebsmomentes vorliegt und daß ein zweiter Subtrahieref (14) vorgesehen ist, dessen erster Eingang mit dem Ausgang des Kennlinienspeichers (13) und dessen zweiter Eingang mit dem Ausgang des Dividierers (12) verbunden ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, bei welcher der Motor ein Elektromotor ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Motorstromfühler (5) vorgesehen ist, dessen Ausgang mit dem Eingang des Kennlinienspeichers (13) verbunden ist.

6. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang eines Drehzahlgebers (15, 16) mit dem Eingang eines Umschalters

(18) verbunden ist und dessen beide Ausgänge mit den Eingängen zweier Zwischenspeicher (19, 20) verbunden sind, wobei dem Umschalter (18) und den Zwischenspeichern (19, 20) ein zur Abgabe von Zeittaktsignalen (^t) eingerichteter Taktgeber (17) zugeordnet ist, daß zwei Multiplizierer (21, 22) vorgesehen sind, deren erste Eingänge je mit einem Ausgang der Zwischenspeicher (19, 20) verbunden sind und deren zweiten Eingängen ein einem ersten bzw. zweiten Gewichtsfaktor entsprechendes Signal (k-, , k₉) zugeführt ist, daß die Ausgänge der Multiplizierer mit den beiden Eingängen eines Subtrahierers (23) verbunden sind und daß ein Addierer (24) vorgesehen ist, dessen einer Eingang mit dem Ausgang des Subtrahierers (23) verbunden und dessen anderem Eingang ein einem konstanten Faktor entsprechendes Signal (C) zugeführt ist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehzahlgeber in an sich bekannter Weise einen Impulsgeber (15) und einen diesem nachgeordneten, von dem Taktgeber (17) gesteuerten Impulszähler (Ιό) aufweist.