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    公开号:WO1986003294A1
    申请号:PCT/EP1985/000516
    申请日:1985-10-03
    公开日:1986-06-05
    发明作者:Karl-Heinz Gerrath；Eberhard Strauss；Hans-Joachim Decker；Heinz Vinson
    申请人:Battelle-Institut E.V.；
    IPC主号:G01L3-00
    专利说明:
    [0001] Schaltungsanordnung zur Zessung des Drehmoments
    [0002] Beschreibung
    [0003] Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Messung des Drehmoments, der Drehschwingungen sowie der Leistung an mindestens einer umlaufenden Welle, mit Signalgebern und Signalaufnehmern sowie einem Multiplizierer und einer Signalauswertung.
    [0004] Bei konventionellen Vorrichtungen zur Messung des Drehmoments werden auf einer Welle befestigte Dehnungsmesstreifen verwendet. Die wesentlichen Nachteile solcher Anordnungen bestehen in der Stromzuführung zur Meßbrücke, Auskopplung des Signals von der sich drehenden Welle und in dem hohen elektronischen Aufwand.
    [0005] Neuere Entwicklungen basieren auf kontaktlos durchführbaren Verfahren. Hierbei werden z. B. magnetische Zahnräder oder Ringe aus nicht magnetischem Material, in das Dauermagnete eingebettet sind, an einer Antriebswelle in einem vorbestimmten axialen Abstand voneinander befestigt. Jeder der magnetischen Wandler erzeugt Impulse bei einer Frequenz proportional zur Drehzahl der Welle. Auf diese Weise wird das Drehmoment der Welle durch eine Zeitdifferenz zwischen Impulsen der entsprechenden Wandler ermittelt. So werden bei einem bekannten Verfahren die Anfangssignale vor dem Einwirken des Drehmoments relativ zueinander phasenverschoben. Aus den daraus gewonnenen Impulsfolgen werden durch Und-Verknüpfung die Pulsfolgen für das Drehmoment abgeleitet (DE-AS 1 183 276). Drehmomentmesser dieser Art haben den wesentlichen Nachteil, daß die Meßergebnisse von Umwelteinflüssen, wie Temperatur, abhängig sind. Auch Bauelement- und Spannungsschwankungen beeinflussen das Meßergebnis. Außerdem verfälscht jede Art von Fertigungstoleranzen die Messungen. Hinzu kommt, daß zur Signalgewinnung aus der Welle Zahnräder, Ringe und dgl. angebracht werden müssen, was des öfteren eine unerwünschte Manipulationan der Welle bedeutet, an der das Drehmoment kontaktlos gemessen werden soll. Außerdem sind diese Anordnungen nur dann zur Drehmomentmessung geeignet, wenn die beiden Geber die gleiche Anzahl von Markierungen aufweisen und auf einer einzigen Welle angebracht sind. Die bekannten Schaltungsanordnungen zur Signalauswertung erlauben darüberhinaus keine genaue Erfassung von Drehschwingungen.
    [0006] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Messung des Drehmoments sowie eine genaue Erfassung von DrehSchwingungen und eine einfache Ermittlung der Leistung mit einer berührungslos arbeitenden und störungsunempfindlichen Messeinrichtung unter Vermeidung der Umwelt- und materialbedingten Einflüsse auf das Ergebnis zu ermögliehen. Dabei sollten auch auf der Welle bereits vorhandene, geeignet markierte oder strukturierte Räder, Scheiben oder dgl., auch mit unterschiedlicher Anzahl von Markierungen am Umfang als Geber verwendbar sein, wobei diese nicht notwendigerweise auf einer einzigen Welle angeordnet sein müssen, sondern auch auf verschiedenen Wellen eines formschlüssig gekoppelten Wellensystems.
    [0007] Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Frequenzumsetzer vorgesehen ist, mit dem aus einer der Frequenzen (f1 oder f2) der Signale { S1, S2) der Signalaufnehmer ein neues Signal (S3) erzeugbar ist, dessen Frequenz (f3) der Summen- oder Differenzfrequenz der Frequenzen (f1, f2 ) der Signale (S1, S2) der Signalaufnehmer entspricht und das mit dem Signal (S1 oder S2), aus dem es gewonnen wird, phasenstarr verbunden ist, wobei die Zuordnung der Anfangsphase des neuen Signals (S3) zum frequenzerzeugenden Signal (S1 oder S2) der Signalaufnehmer durch das andere Signal (S2 oder S 1 ) mitbestimmt wird, und daß die Signale (S1, S2) der Signalaufnehmer und das Signal (S3) des Frequenzumsetzers zu dem Multiplizierer geführt sind.
    [0008] Vorteilhafte Ausbildungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind in den Unteransprüchen 2 bis 15 erläutert.
    [0009] Die Anfangssignale S1 und S2 können erfindungsgemäß durch Verwendung von zwei auf einer oder auch verschiedenen Wellen befestigten Signalgebern und in der Nähe der Geber fest angeordneten, zugehörigen Sensoren gewonnen werden. Als Signalgeber können in an sich bekannter Weise Ringe eingesetzt werden, die aus nicht magnetischem Material bestehen, in das an der Ringpheripherie Permanentmagnete abwechselnder Magnetisierungsrichtung eingebettet sind. Auch Zahnräder aus weichmagnetischem Material kommen in Frage. Durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung können Signale aus der Drehung der Welle bzw. Wellen gewonnen werden, ohne daß notwendigerweise solche Geber montiert werden müssen. So können beliebige, an der Welle bereits vorhandene Zahnräder, Ringe, Lochscheiben, Löcher und andersartige Markierungen und dgl. verwendet werden. Dabei ist gleichgültig, ob die Räder, Ringe usw. sowie die an dem Umfang dieser Geber vorgesehenen Markierungen gleichzahlig sind oder nicht. Die zur Drehmomentmessung herangezogenen, an der Welle vorhandenen Geber müssen auch nicht artgleich sein. Die Sensoren werden in an sich bekannter Weise entsprechend der Art der Markierungen ausgewählt und relativ zu den Signalgebern ausgerichtet. Bei Verwendung von Zahnrädern oder magnetisch markierten Ringen können z.B. Hallelemente oder Feldplatten- Differentialfühler eingesetzt werden. Bei optischer Signalgewinnung verwendet man z.B. Lichtschranken oder dgl. Jeder Sensor liefert an seinem Signalausgang eine Spannung, deren Verlauf durch die Einwirkung des Gebers auf den Sensor bestimmt wird. Die aus der Drehung der Welle gewonnenen, alternierenden Anfangssignale werden in an sich bekannter Weise unter Verwendung von Verstärkern und Pulsformern in jeweils eine Pulsfolge umgewandelt. Erfindungsgemäß wird dann aus den beiden Rechtecksignalen S1 oder S2 ein neues Signal S3 erzeugt, dessen Frequenz f3 der Summen- oder Differenzfrequenz der Frequenzen f 1 und f2 der beiden Anfangssignale entspricht. Außerdem werden die Signale S 1 , S2 und S3, wie im folgenden näher erläutert, zeitlich in eine bestimmte Beziehung gesetzt. Zu diesem Zweck kann z.B. ein direkt teilender Frequenzteiler oder ein Frequenzteiler mit einer Phasenregelschleife verwendet werden.
    [0010] Das neue Signal S3 wird anschließend mit den Anfangssignalen S1 und S2 multipliziert. Das Maß für die torsionsbedingte Verdrehung der Signalgeber zueinander, aus dem dann das Drehschwingungssignal abgeleitet werden kann, wird aus der Integration des vom Multiplizierer gelieferten Signal S1.S2.S3 über eine oder mehrere der kleinsten gemeinsamen Periodendauer der Frequenzen f1, f2 und f3 oder durch geeignete Filterung ermittelt. Zur Filterung wird vorzugsweise ein digitales Filter vorgeschlagen, das dem vom Multiplizierer gelieferten Signal S1.S2.S3 speziell angepaßt ist. Das Ergebnis kann auch durch Spektralanalyse des Signals S1.S2.S3 erhalten werden.
    [0011] Die Leistung läßt sich in an sich bekannter Weise durch
    [0012] Multiplikation des Drehmoments mit der Winkelgeschwindigkeit der entsprechenden Welle bestimmen. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ermöglicht auch eine LeistungsbeStimmung durch Addition der in einer bestimmten Zeiteinheit anfallenden Drehmomentwerte.
    [0013] Durch die erfindungsgemäße Signalverarbeitung lassen sich die Störeffekte und Umgebungseinflüsse eliminieren. Insbesondere wird der Einfluß von Gleichspannungsdriften und Gruppenlaufzeitverzerrungen von Sensoren und Verstärkern unterdrückt. Ferner ist eine zusätzliche Anbringung von Gebern an der zu vermessenden Welle nicht mehr notwendig, falls als Geber wirkende Markierungen, wie Zahnräder, Scheiben und dgl. bereits vorhanden sind.
    [0014] Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung sowie anhand der schematischen Zeichnung. Hierbei zeigen
    [0015] Fig. 1 ein besonders vorteilhaftes Beispiel der Signalverläufe bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und die Signalauswertung zur Ermittlung des Drehmoments;
    [0016] Fig. 2 die Abhängigkeit des Endsignals von einer Verdrehung der Gebermarkierungen zueinander am Beispiel der Fig. 1;
    [0017] Fig. 3 die Darstellung der Kompensation von Störeffekten bei einem Signalverlauf gemäß Fig. 1;
    [0018] Fig. 4 ein weiteres Beispiel der Signalverläufe und Signalauswertung;
    [0019] Fig. 5 die Abhängigkeit des Endsignals von der Verdrehung der Gebermarkierungen zueinander am Beispiel der Fig. 4; Fig. 6 die Kompensation von Störeffekten bei einem Signalverlauf gemäß Fig. 4;
    [0020] Fig. 7 a) und b) eine mögliche Schaltungsanordnung nach der Erfindung;
    [0021] Fig. 8 ein Prinzipschaltbild eines möglichen Aufbaus des Frequenzumsetzers;
    [0022] Fig. 9 a) und b) die schaltungsmäßige Realisierung des
    [0023] Frequenzumsetzers;
    [0024] Fig. 10 die Signalabläufe in der Schaltung gemäß Fig. 9;
    [0025] Fig. 11 die Abtastzeitpunkte des digitalen Filters für das
    [0026] Signal S1.S2.S3;
    [0027] Fig. 12 eine Ausführungsform für die schaltungsmäßige Realisierung des digitalen Filters und
    [0028] Fig. 13 schematisch das Verhalten des digitalen Filters.
    [0029] In den Beispielen gemäß Fig. 1 und Fig. 4 wird angenommen, daß die Frequenz f2 des Anfangssignals S2 kleiner oder höchstens gleich der Frequenz f1 des anderen Anfangssignals S1 ist. Die Frequenzen f1 und f2 der Anfangssignale S1 und S2 können geradzahlige oder ungeradzahlige Vielfache der Grundfrequenz fo sein. Die Grundfrequenz fo bestimmt sich aus dem Kehrwert der kleinsten gemeinsamen Periodendauer T der Anfangssignale S1 und S2. Gemäß Fig. 1 fällt im unbelasteten Zustand der Welle oder Wellen ein Nulldurchgang der Pulsfolge des Signals S1 und die Pulsmitte des anderen Signals S2 mindestens einmal während der kleinsten gemeinsamen Periodendauer T in einem bestimmten Zeitpunkt TA im wesentlichen zusammen. Dabei ist der Nulldurchgang jener Pulsfolge S1 zugeordnet, die die ungeradzahlige Frequenz f1 aufweist. Aus der Pulsfolge S2 wird die Pulsfolge S3 erzeugt, deren Frequenz f3 der Summen- oder Differenzfrequenz der beiden Frequenzen f1 und f2 entspricht. In dem dargestellten Fall ist die Differenzfrequenz f1- f2 gebildet.
    [0030] Das Signal S3 wird in diesem Beispiel, unabhängig von der Verdrehung der Welle oder Wellen, dem Signal S2 zeitlich zugeordnet. Für höchste Empfindlichkeit muß die Pulsmitte dieser neuen Pulsfolge S3 mindestens einmal während einer Periodendauer T mit dem Zeitpunkt TA zusammenfallen. Aus den Pulsfolgen S1, S2 und S3 wird durch Multiplikation eine neue Pulsfolge S1.S2.S3 gebildet.
    [0031] Das Endsignal S1.S2.S3 wird gemäß einer Ausführungsform der Erfindung über die Zeit T oder über ein Vielfaches von T integriert und ergibt für den unbelasteten Zustand ein Signal, das in Fig. 1 , unten, durch die ausgezogene Kurve dargestellt ist.
    [0032] Gemäß einer anderen Ausführungsform kann das Endsignal S1.S2.S3 in einem diesem Signal speziell angepassten digitalen Filter so verarbeitet werden, daß jeweils nach einer Zeit T ein dem Drehmoment proportionaler Wert erhalten wird.
    [0033] Bei einer torsionsbedingten Verdrehung der Welle wird ein zeitlicher Versatz Δ t der Pulsfolgen S1 und S2 zueinander erfolgen, die in Fig. 1 als gepunktete bzw. gestrichelte Linien in der Pulsfolge S1 gezeigt ist. Dieser Versatz führt zu einer Veränderung der Endpulsfolge S1.S2.S3. Die Integration über die Zeitspanne T oder über ein Vielfaches davon ergibt die gepunktete oder die gestrichelte Kurve gemäß Fig. 1, unten. Nach der Zeit T wird damit ein Ausgangswert erhalten, dessen Größe mit der torsionsbedingten Verdrehung der Welle oder Wellen im Zusammenhang steht. In gleicher Weise erhält man bei der Filterung einen Äusgangswert jeweils nach der Zeit T.
    [0034] Die Beziehung zwischen dem Ausgangswert und der torsionsbedingten Verdrehung der Welle oder Wellen ist in Fig. 2 dargestellt. Ein linearer Zusammenhang zwischen dem Ausgangswert und der Verdrehung ergibt sich über Teilbereiche der Periodendauer T. Innerhalb dieser Teilbereiche kann nach entsprechender Kalibrierung ein linearer Zusammenhang zwischen dem Ausgangswert und der Verdrehung hergestellt werden. Mit Hilfe der Steifigkeitscharakteristik der Welle oder Wellen läßt sich das übertragene Drehmoment aus der ermittelten Verdrehung berechnen. Die Gesamtanzahl der Gebermarkierungen für die Kalibrierung wird in an sich bekannter Weise herangezogen. Bei einer Änderung des Tastverhältnisses in der Pulsfolge S2 gemäß dem strichpunktierten Verlauf der Fig. 1 wird ein optimaler Verdrehbereich erreicht, wie es in Fig. 2 ebenfalls strichpunktiert gezeigt ist.
    [0035] Ein eindeutiges Verdreh- bzw. Drehmomentsignal ist für den in Fig. 2 dargestellten Fall nur im Bereich von ± T/12 gegeben. Falls die Verdrehung bei maximal zu messendem Drehmoment größer ist als dieser Eindeutigkeitsbereich, kann durch Teilung der Ausgangsfrequenzen f1 und f2 die Periodendauer T erhöht und damit der Eindeutigkeitsbereich erweitert werden. Ein Spannungsoffset bei einem Sensor oder eine Verschiebung der Schwelle der Verstärker verursacht z.B. eine Veränderung des Signalverlaufs, wie in Fig. 3 für Signal S 1 punktiert dargestellt ist. Eine solche Störung bewirkt eine Änderung des Signals S1.S2.S3, hat jedoch durch die erfindungsgemäße Signalauswertung keinen Einfluß auf den Ausgangswert, der der Verdrehung proportional ist.
    [0036] Für das in Fig. 4 gezeigte Beispiel gilt im wesentlichen die für Fig. 1 gegebene Erläuterung. Hier sind die Signalverläufe S1 und S2 insofern anders, als im unbelasteten Zustand der Nulldurchgang des Signals S1 und der Nulldurchgang des anderen Signals S2 zum Zeitpunkt TB in etwa zusammenfallen. Der Nulldurchgang des Signals S3 ist in diesem Fall dem Nulldurchgang des Signals S 1 zum Zeitpunkt TB zugegeordnet. Das Auftreten einer Verdrehung ist in den Signalverläufen ebenfalls mit gepunkteten bzw. gestrichelten Linien dargestellt.
    [0037] Gemäß Fig. 5 ergibt sich ebenfalls ein linearer Zusammenhang zwischen Ausgangswert der Integration und Verdrehung. Auch Fig. 6 belegt, daß im Störfall, z.B. durch ein Spannungsoffset, der Endwert nicht beeinflusst wird.
    [0038] Für die erfindungsgemäß vorgeschlagene Schaltungsanordnung ist wesentlich, daß die Frequenz f3 des Signals S3 entweder aus der Frequenz f2 des Signals S2, wie in Fig. 1, oder aus der Frequenz f 1 des Signals S1, wie in Fig. 4, erzeugt wird. Daraus ergibt sich, daß das Signal S3 mit dem Signal, aus dem es gewonnen wird, phasenstarr verbunden ist. Der
    [0039] Frequenzumsetzer hat die Funktion, diesen Vorgang durchzuführen und zwar durch Frequenzteilung oder durch eine Kombination von Frequenzvervielfachung mit anschließender Teilung. Hierbei können zahlreiche Signale S3 generiert werden, die jeweils die gleiche Frequenz f3 aufweisen, jedoch sich in ihrer Phasenlage zueinander unterscheiden. Das Auswahlkriterium, welche Phasenlage des Signals S3 zur weiteren Verarbeitung genutzt wird, liegt nun in der geforderten bzw. beliebig festzusetzenden zeitlichen Zuordnung des Ausgangssignals, aus dem das Signal S3 erzeugt wird, zu dem anderen Ausgangssignal.
    [0040] In Fig. 7 a) wird eine mögliche Schaltunganordnung nach der Erfindung gezeigt. In der Nähe der Signalgeber 1, welche in diesem Fall eine unterschiedliche Anzahl von Markierungen aufweisen und auch in ihrer Größe ungleich sind, sind Sensoren 2 angeordnet.
    [0041] Wie in Fig. 7 b ) gezeigt , wird bei Systemen miteinander f orms chlüs sig gekoppelter Wellen, die z. B . auch in Schaltgetrieben vorkommen können , mindestens je ein Signalgeber 1 an je einer der We llen 3 oder 4 vorgesehen. Al s Signalgeber 1 können , wie oben beschrieben , z . B . Zahnräder ve rwendet werden , die sich bereits auf der We lle befinden.
    [0042] Die Ausgangsspannungen der Sensoren 2 werden entsprechend den Signalen S 1 und S2 mit Frequenzen f1 und f2 , jeweils einem Verstärker 5 und dann einem Pulsformer 6 zugeführt. Einem der Verstärker 5 kann bei Bedarf ein Lauf zeitentzerrer nachgeschaltet sein , um unterschiedliche S ignallauf ze iten vom Signalgeber 1 bis zum Multiplizi erer 8 zwischen den beiden Signal zweigen auszugleichen . Dies wird bei ungleichem Verhalten bezüglich des Frequenzganges bei den
    [0043] Sensoren 2 , den Verstärkern 5 und den Pulsformern 6 no twendig sein , a ls auch beim unterschiedlichen Einfluß von Hys tereseeff ekten beim Signalgeber 1 oder Sensor 2 oder bei einem unsymmetrischen Ums chaltverhalten des Multi plizierers 8.
    [0044] Sollen beide Drehrichtungen ausgewertet werden, müssen beim Einfluß von Hysterese als auch bei unsymmetrischen Umschaltverhalten des Multiplizierers 8 für jede Drehrichtung getrennte Laufzeitentzerrer nachgeschaltet werden, um eine symmetrische Drehmomentanzeige zu erhalten.
    [0045] Den Pulsformern 6 kann gegebenenfalls je ein Frequenzteiler nachgeschaltet werden, um -wie vorher erläutert- die Messung des Verdrehwinkels zu vereinfachen; z.B. durch
    [0046] Bereitstellung günstigerer Frequenzverhältnisse und damit ein größerer Verdrehbereich der Welle oder Wellen für die Messung genutzt werden kann.
    [0047] Den Pulsformern 6 nachgeschaltet ist ein Frequenzumsetzer 7, der ein direkter Frequenzteiler oder ein Frequenzteiler mit einer Phasenregelschleife sein kann. Wesentlich ist, daß ein Signal S3 erhalten wird, dessen Frequenz f3 entweder der Differenzfrequenz f1 - f2 oder der Summenfrequenz f1 + f2 entspricht und die oben erläuterten Bedingungen erfüllt.
    [0048] Das Signal S3 wird dann in einem Multiplizierer 8 mit den Ausgangssignalen S1 und S2 multipliziert. Dabei ist nicht entscheidend, welche der drei Signale zuerst miteinander multipliziert werden. Am Ausgang des Multiplizierers 8 wird ein Integrator 9 vorgesehen, mit dem eine Integration über eine oder mehrere der kleinsten gemeinsamen Periodendauer T von den Pulsfolgen S1, S2 und S3 vorgenommen wird oder ein digitales Filter.
    [0049] Gemäß Fig. 8 wird in dem Frequenzumsetzer 7 der Fig. 7 ein Taktgenerator 10 bei der Frequenz P.f2 oder P.f1 vorgesehen, der über eine Phasenregelschleife auf die Frequenz f2 oder f1 des Signals S2 oder S1 synchronisiert wird. Im dargestellten Fall wird der Taktgenerator 10 auf die Frequenz f2 synchronisiert. Die Frequenz P.f2 wird durch einen direkten Frequenzteiler 11 durch die Zahl Q geteilt. Über Schaltung 12 wird die Pulsmitte des Signals S3 entsprechend den gemäß Fig. 1 oder Fig. 4 gestellten
    [0050] Forderungen mit dem Signal S1 und S2 zeitlich verknüpft. Q und P sind ganze Zahlen, deren Quotient mit den Frequenzen f1 und f2 in folgender Beziehung steht:
    [0051]
    [0052] Die Phasenregelschleife besteht aus dem Taktgenerator 10, dem direkten Frequenzteiler 13, dem Phasenkomparator 14 und dem Tiefpaßfilter 15.
    [0053] Bei dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel ist das Frequenzverhältnis f2/f1= 2/3, wobei f3= f1 - f2 und f3/f2= 1/2 ist. Daraus folgt
    [0054]
    [0055] Um die geforderte Phasenzuordnung des Signals S3 mit dem Signal S2 zu erreichen, wird hier P= 2 und Q= 4 gewählt. Die Phasenregelschleife in der Schaltung für den Frequenzumsetzer gemäß Fig. 9 a) besteht aus einem spannungsgesteuertem Oszillator 16 mit dem Ausgangssignal Sp, einem Frequenzteiler 17, der in diesem Fall die Frequenz des Oszillators 16 durch P= 2 teilt, einem Verstärker 18, mit dem Ausgangssignal S2', einem Multiplizierer 19 und einem Tiefpassfilter 20. In eingeschwungenem Zustand sind die beiden frequenzgleichen Signale S2 und S2 um eine Viertel Periode, d.h. 90º zueinander phasenverschoben, wie es in Fig. 10 dargestellt ist. Dabei entsprechen die Signalabläufe für S1, S2 und S3 denen, die in Fig. 1 gezeigt sind.
    [0056] Das Signal S3 wird aus SP durch Frequenzteilung um den Faktor Q= 4 gewonnen. Ansteigende bzw. abfallende Flanken von S3 werden, wie in Fig. 10 gezeigt, jeweils bei einer ansteigenden Flanke von SP erzeugt. Die Auswahl eines bestimmten Impulses SP wird hierbei durch die zeitliche Vorgeschichte von S1 und S2 in einer kodierten Form bestimmt.
    [0057] Am Ausgang der Schaltung 21 in Fig. 9 a), die ein Flankendetektor darstellt, wird hierzu mit jeder Flanke der Signale S1 oder S2 ein logisches Signal derart erzeugt, daß der Ausgang der Schaltung 21 den logischen Zustand HIGH annimmt, wenn eine ansteigende Flanke von S1 oder S2 anliegt, oder den logischen Zustand LOW annimmt, wenn eine abfallende Flanke von S 1 oder S2 anliegt. Nach jeder Flanke von S1 oder S2 wird dieses Signal mit einem von der Schaltung 21 erzeugten Taktsignal in ein Schieberegister 22 eingelesen und bereits eingelesene Signale werden um eine Speicherzelle weitergeschoben. Im Fall von Fig. 1 besteht das Schieberegister 22 aus zehn Zellen, entsprechend den zehn möglichen Signalwechseln von S 1 und S2 innerhalb einer Periodendauer T.
    [0058] Die parallelen Ausgänge des Schieberegisters 22 werden zwei digitalen Komparatoren 23 und 24 zugeführt, deren andere
    [0059] Eingänge liegen an den Ausgängen von zwei Speichern 25 und 26. In den Speichern 25 und 26 ist in Form eines Codes die entsprechende Folge von Signalwechseln abgelegt, nach deren Auftreten das Signal S3 einen von SP gesteuerten Signalwechsel aufweist. Im vorliegenden Fall ist dies die Folge
    [0060] H H L L H L H H L L
    [0061] für die ansteigende Flanke von S3, die im Speicher 26 abgelegt ist, und
    [0062] L H H L L H H L L H
    [0063] für die abfallende Flanke von S3, die im Speicher 25 abgelegt ist.
    [0064] Sobald die über Schaltung 21 in das Schieberegister 22 eingelesene Zeichenfolge mit der des Speichers 25 bzw. 26 übereinstimmt, wird der Ausgang des Komparators 23 bzw. 24 HIGH bis zur nächsten Signalflanke bei S1 oder S2. Wenn am Ausgang des Komparators 23 der Zustand HIGH anliegt, wird ein Impuls von SP über das UND-Gatter 27 zu dem R-Eingang des RS-Flipflop 28 geführt. Dieser Impuls erzeugt die abfallende Signalflanke des Signals S3. Wenn am Ausgang des Komparators 24 der Zustand HIGH anliegt, wird ein Impuls von SP über das UND-Gatter 29 zu dem S-Eingang des RSFlipflop 28 geführt, der die ansteigende Flanke von S3 erzeugt. Der Verstärker 30 erzeugt aus dem Ausgangssignal des RS-Flipflop 28 das Signal S3.
    [0065] Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung des Signals S3 für das in Fig. 1 dargestellte Beispiel, wird in Fig. 9 b) gezeigt. Hier wird in den Signalzweigen S1 und S2 je ein Inverter 31 und 32 sowie UND-Gatter 33, 34 und 35 vorgesehen. Die UND-Gattern 33, 34 und 35 leiten je nach dem Zustand der Signale S1 und S2 das von der Phasenregelschleife
    [0066] 16, 17, 18, 19, und 20 erzeugte Signal SP zu den entsprechenden Eingängen eines RS-Flipflop 36 weiter oder nicht.
    [0067] Aus Fig. 1 bzw. Fig. 10 geht hervor, daß das Signal S3 die ansteigende Flanke dann aufweist, wenn das Signal S2 negativ und das Signal S 1 negativ sind, und die abfallende Flanke dann aufweist, wenn das Signal S2 negativ und das Signal S1 positiv sind. Gemäß Fig. 9 b) werden über einen Inverter 31 und einem UND-Gatter 33 Impulse von S zu den UND-Gattern 34 und 35 nur dann durchgelassen, wenn das Signal S2 negativ ist. Hierbei gilt, daß der logische Zustand HIGH dann vorliegt, wenn das Signal S2 bzw. S1 positiv ist und der Zustand LOW dann vorliegt, wenn die Signale S1 bzw. S2 negativ ist. Je nach dem logischen Zustand von S1, das zu dem UND-Gatter 34 und über einen Inverter 32 zu dem UND-Gatter 35 geführt wird, werden die Impulse von SP über das UND-Gatter 34, wenn das Signal S1 HIGH ist, oder über das UND-Gatter 35, wenn das Signal S1 LOW ist, den Eingängen des RS-Flipflop 36 geführt. Wenn der Impuls SP an den S-Eingang gelangt, wird der Q-Ausgang HIGH, kommt er an den R-Eingang an, geht der Q-Ausgang in den LOW-Zustand. Der Verstärker 37 erzeugt aus diesem logischen Signal das Wechselspannungssignal S3. Bei anderen Frequenzverhältnissen und anderen Verhältnissen der Phasenzuordnung, wie z.B. in dem, in Fig. 4 dargestellten Beispiel, ist die Ausführung der Schaltung entsprechend zu modifizieren.
    [0068] Bei Schaltgetrieben bleibt die einmal eingestellte Zuordnung der Signale S 1 und S2 zueinander auch nach Ausund Einrasten des Getriebes erhalten und damit auch die Phasenzuordnung des Signals S3.
    [0069] Der in Fig. 7 dem Multiplizierer 8 nachgeschaltete Integrator 9 kann in unterschiedlicher Weise realisiert werden. Es kann z.B. ein Aufwärts-Abwärts-Zähler vorgesehen sein, in dem die von einem Taktgenerator erzeugten Pulse während der Dauer eines positiven Signals S1.S2,S3 aufwärts und während der Dauer eines negativen Signals S1.S2.S3 abwärts gezählt werden. Der am Ausgang des digitalen Integrators nach einer Zeitdauer T gebildete Wert wird in an sich bekannter Weise durch eine der Zeitdauer T proportionale Große dividiert, um einen dem Drehmoment proportionalen Wert zu erhalten.
    [0070] Vorzugsweise wird jedoch ein digitales, dem hier vorliegenden Signalverlauf angepasstes Filter verwendet. In seiner einfachsten Art kann ein solches Filter durch die Beziehung
    [0071] Yn= Yn-1 (1-α) + α.Xn
    [0072] beschrieben werden. Dabei bedeuten Xn der Eingangswert zum
    [0073] Zeitounkt tn und Yn der generierte Ausgangswert zum
    [0074] Zeitpunkt tn. In anderen Worten entspricht X dem Signal S1.S2.S3 am Ausgang des in Fig. 7 gezeigten Multiplizierers 8 und Y dem am Ausgangs des Filters erhaltenen, dem Drehmoment proportionalen Wert. α ist ein Faktor, der das Einschwingverhalten des Filters bestimmt.
    [0075] Im vorliegenden Fall ist die Eingangsfunktion dadurch gekennzeichnet, daß sie nur bestimmte Werte, z.B. X+ = 1 und X-= 0 oder X+ = +1 und X-= -1 , annimmt, wie in Fig. 11 dargestellt. Zum Zeitpunkt tn ergibt sich dann für Yn
    [0076]
    [0077] Hierbei ist Yo der Anfangswert von Y zum Zeitpunkt to =0. Beträgt die Anzahl der Abtastwerte gerade n1, so ist nach n1 Werten
    erreicht. Danach beginnt ein neuer Zyklus, bei dem jetzt X= X- zu setzen ist.
    [0078] Der Anteil läßt sich mit Hilfe der für
    [0079] Potenzreihen gültigen Summenformel wie folgt vereinfachen:
    [0080]
    [0081] Die Beziehungen für Y lassen sich damit noch umformen in
    [0082]
    .

    [0083] Damit ist die Berechnung der Ausgangswerte des Filters nur noch am Ende eines jeweiligen Zyklus, der dadurch gekennzeichnet ist, daß X jeweils konstant bleibt, notwendig.
    [0084] Bei dem in Fig. 1 dargestellten Verlauf für das Signal S1.S2.S3 sind innerhalb des kleinsten gemeinsamen Periodendauer T zwölf solche Werte zu ermitteln, aus denen dann jeweils der arithmetische Mittelwert gebildet wird, der ein sehr genaues Maß für die Verdrehung bzw. Drehmoment darstellt.
    [0085] Fig. 12 zeigt eine mögliche Schaltungsanordnung zur Realisierung des Filters. Der Taktgenerator 38 erzeugt ein periodisches Abtastsignal ta derart, daß jeweils eine bestimmte Anzahl von Impulsen innerhalb der kleinsten gemeinsamen Periodendauer T des vom Multiplizierer gelieferten Signals S1.S2.S3 anfällt. Die Anzahl der Abtastsignale ta bestimmt im Zusammenhang mit dem Faktor α das Einschwingverhalten des Filters und die Genauigkeit, mit der das Drehmomentsignal approximiert wird. Beim jeweils ersten Abtastsignal innerhalb eines Zyklus von X, d. h. wenn X von X- nach X+ bzw. von X+ nach X- wechselt, wird gleichzeitig das Abtastsignal t1 erzeugt, wie es in Fig. 11 gezeigt ist. Mit dem Impuls t1 wird die Anordnung zur Ermittlung von gestartet.
    [0086] Der Faktoren wird als eine Potenz von 1/2 gewählt, so daß bei binärer Darstellung des Drehmomentsignals die Multiplikation mit α durch Bitverschiebung um k bit erfolgen kann. Die Multiplikation einer binären Zahl mit (1- α) kann damit durch Subtraktion des um k bit verschobenen
    [0087] Wertes vom ursprünglichen Wert erfolgen. Das Ausgangssignal des Subtrahierers 39 wird hierzu über den Zwischenspeicher 40 direkt und über den Bitverschieber 41 und den Zwischenspeicher 42 um k bit verschoben bei jedem Abtast-impuls ta an die beiden Eingänge des Subtrahierers 39 zurückgeführt, so daß nach jedem Abtastimpuls ta am Ausgang des Subtrahierers 39 der mit (1 - α) multiplizierte vorhergehende Wert anliegt. Zu Beginn eines jeden Zyklus, d. h. bei t1, wird der am Ausgang des Subtrahierers 43 anliegende Wert
    [0088]
    [0089] in den Zwischenspeicher 40 bzw . über Bi tverschieber 44 um k bit verschoben in den Zwischenspeicher 42 geladen .
    [0090] Im Addierer 45 w ird zu
    [0091]
    [0092] b zw .
    [0093]
    [0094] der Wert X+ bzw. X- addiert. Über den Umschalter 46 werden, je nach Zustand des Signals X, aus den Speichern 47 bzw. 48 die Werte für X+ bzw. X- entnommen und dem Addierer 45 zugeführt. Am Ausgang von 45 steht damit am Ende eines jeden Zyklus der Wert Y zur Verfügung.
    [0095] Im Subtrahierer 43 wird hiervon der Wert X- bzw. X+ subtrahiert. Je nach Zustand von X wird über den Umschalter
    [0096] 49 der entsprechende Wert aus den Speichern 47 oder 48 entnommen. Am Ausgang des Subtrahierers 43 steht damit der Anfangswert von bzw. für den nächsten Zyklus zur
    Verfügung.
    [0097] D ie Ausgangswerte des Addierers 45 werden bei Beginn eines neuen Zyklus in die ers te Speicher zelle eines für diese n Fall zwölf-stufigen Schieberregisters 50 eingelesen, die zuvor eingelesenen Werte werden dabei jeweils um eine Speicherzelle weitergeschoben. Die Ausgangswerte der einzelnen Speicherzellen werden einem Addierer 51 zugeführt, an dessen Ausgang ein dem Drehmoment proportionaler Wert Y anliegt.
    [0098] Zur Ermittlung der Leistung wird von den Werten M der Wert im unbelasteten Zustand Mo im Subtrahierer 52 abgezogen und diese Werte in einem Akkumulator 53 für eine bestimmte Zeit aufaddiert werden. Die Addition wird jeweils nach dem Nullsetzen des Akkumulators 53 mit dem Impuls t1 des Taktgenerators 38 gestartet. Die Leistung ist proportional dem im Akkumulator 53 vor dem nächsten Nullsetzen erreichten Wert.
    [0099] Andere Schaltungskonfigurationen, die den gleichen mathematischen Algorithmus bewirken, sind denkbar, z.B. Vertauschen der Reihenfolge von 41 und 42, zusammenfassen von 40 und 42.
    [0100] In Fig. 13 ist für einen bestimmten Verlauf von X der
    [0101] Verlauf von Yn bzw. Y gezeigt. Ysoll bezeichnet
    [0102] den Sollwert des dem Drehmoment proportionalen Signals. Die Werte von Y , die sich jeweils nach Abschluß
    [0103] eines Zyklus ergeben, sind durch ein Kreuz gekennzeichnet. Sie weichen vom Sollwert noch um einen bestimmten Betrag ab. Die Werte von Y am Ausgang des Addierers 51, die sich ebenfalls jeweils nach Abschluß eines Zyklus ergeben, sind durch Kreise gekennzeichnet. Sie weichen nur noch um einen sehr geringen Betrag vom Sollwert ab.
    [0104] Der Vorteil dieses Filters gegenüber einem ko nventionellen digitalen Tiefpassfilter liegt darin, daß bei üblichen Tiefpassfiltern zur Erzielung gleicher Filtereigenschaften ein sehr hoher Filtergrad realisiert werden muß, die bei jenen Filtern notwendige Multiplikationsstufen entfallen. Im Vergleich zur digitalen Integration entfällt die zur Ermittlung des Drehmomentsignals notwendige Divisionsstufe.
    权利要求:
    ClaimsSchaltungsanordnung zur Messung des DrehmomentsPatentansprüche
    1. Schaltungsanordnung zur Messung des Drehmoments, der Drehschwingungen sowie der Leistung an mindestens einer umlaufenden Welle, mit Signalgebern und Signalaufnehmern sowie einem Multiplizierer und einer Signalauswertung, dadurch gekennzeichnet, daß ein
    Frequenzumsetzer (7) vorgesehen ist, mit dem aus einer der Frequenzen (f1 oder f2), der Signale (S1 oder S2) der Signalaufnehmer (2) ein neues Signal (S3) erzeugbar ist, dessen Frequenz (f3) der Summen- oder Differenzfrequenz der Frequenzen (f1, f2) der Signale der Signalaufnehmer (2) entspricht und das mit dem Signal (S1 oder S2), aus dem es gewonnen wird, phasenstarr verbunden ist, wobei die Zuordnung der Anfangsphase des neuen Signals (S3) zum frequenzerzeugenden Signal (S1 oder S2) der Signalaufnehmer (2) durch das andere Signal (S2 oder S1) mitbestimmt wird, und daß die Signale (S1, S2) der Signalaufnehmer (2) und das Signal (S3) des Frequenzumsetzers (7) zu dem Multiplizierer (8) geführt sind.
    2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Systemen miteinander formschlüssig gekoppelter Wellen, auch in Schaltgetrieben, mindestens je ein Signalgeber (1) an einer Welle vorgesehen ist.
    3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz (f3) des Signals (S3) des Frequenzumsetzers (7) aus einem der Signale (S. oder S2 ) der Signalaufnehmer (2) mit niedrigerer Frequenz (f1 oder f2) erzeugt wird, und daß die Signalgeber (1) und die Signalaufnehmer (2) relativ zueinander so angeordnet sind, daß im unbelasteten Zustand mindestens einmal innerhalb der kleinsten gemeinsamen Periodendauer (T) zu einem bestimmten Zeitpunkt ein Nulldurchgang der Pulsfolge eines Signals (S1 oder S2) der Signalaufnehmer (2) und die Pulsmitte des Signals (S3) des Frequenzumsetzers (7) zusammenfallen, wobei der Nulldurchgang jener Pulsfolge (S1 oder S2) zugeordnet ist, deren Frequenz (f1 oder f2) eine geradzahlige Vielfache der Grundfrequenz (fo) ist, wobei die Grundfrequenz (fo) den Kehrwert der kleinsten gemeinsamen Periodendauer (T) darstellt.
    4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz (f3) des Signals (S3) des
    Frequenzumsetzers (7) aus einem der Signale (S1 oder S 2) der Signalaufnehmer (2) mit höherer Frequenz (f1 oder f2) erzeugt wird und daß die Signalgeber (1) und die Signalaufnehmer (2) relativ zueinander so angeordnet sind, daß im unbelasteten Zustand mindestens einmal innerhalb der kleinsten gemeinsamen Periodendauer (T) zu einem bestimmten Zeitpunkt die Nulldurchgänge der Pulsfolgen aller Signale (S1,S2,S3) zusammenfallen.
    5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzumsetzer (7) einen Frequenzteiler (11) aufweist, der die Frequenzen (f1 oder f2) der Signale (S1 oder S2) der Signalaufnehmer (2) durch einen ganzzahligen Faktor teilt, sowie eine Schaltung (12) vorgesehen ist, mit der die Anfangsphase des Signals (S3) des Frequenzumsetzers (7) gegenüber den Signalen (S1, S2) der Signalaufnehmer (2) in die vorbestimmte Beziehung gesetzt wird.
    6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Frequenzteiler (11) ein Taktgenerator (10) vorgeschaltet ist, der über eine Phasenregelschleife (13, 14, 15) auf die Frequenz (f1 oder f2) der Signale (S1 oder S2) der Signalaufnehmer (2) oder auf ein
    Vielfaches dieser Frequenz (f1 oder f2) synchronisiert ist.
    7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung der geforderten
    Phasenbeziehung zwischen den Signalen (S1, S2, S3 ) ein Code in Speichern (25, 26) abgelegt ist, welcher der der geforderten Phasenbeziehung zugehörigen Flankenfolge der Signale (S1, S2) der Signalaufnehmer (2) entspricht, und daß ein Flankendetektor (21) für die Signale ( S1, S2) der Signalaufnehmer (2) mit nachgeschaltetem Schieberegister (22) vorgesehen ist und die in den Speichern (25, 26) abgelegten Codes mit der in das Schieberegister (22) eingelesenen Flankenfolge der Signale (S1, S2 ) der Signalaufnehmer in Komparatoren (23, 24) verglichen werden.
    8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der Komparatoren (23, 24) zu UND-Gattern (27, 29) geführt sind, welche bei Übereinstimmung der eingelesenen Flankenfolge mit dem gespeicherten Code, den aus der Phasenregelschleife (16, 17, 18, 19, 20) erzeugten Impuls weiterleiten, wobei über ein RS-Flipflop (28) das Signal (S3) erzeugt wird.
    9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung der gemäß Anspruch 3 geforderten Eh asenbeziehung zwischen den Signalen (S1,
    S2, S3 ) in den Signalzweigen (S1, S2) der
    Signalaufnehmer (2) je ein Inverter (31 ,32) und UND-Gatter (33,34,35) vorgesehen sind, wobei die UND-Gatter (34,35) je nach dem Zustand der Signale (S1, S2) der Signalauf nehmer (2) das von der Phasenregelschleife (16, 17,
    18,19,20) erzeugte Signal zu den entsprechenden Eingängen eines RS-Flipflops (36) weiterleiten oder nicht.
    10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem Multiplizierer (8) ein Integrator (9) nachgeschaltet ist, mit dem aus der torsionsbedingten Verdrehung der Signalgeber (1 ) zueinander das Maß für das Drehmoment aus der Integration des vom Multiplizierer (8) gelieferten Signals (S1.S2.S3) über eine oder mehrere der kleinsten gemeinsamen Periodendauern der Frequenzen (f1, f2, f3) ermittelt wird.
    11. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem Multiplizierer (8) ein digitales Filter nachgeschaltet ist, mit dem durch zeitdiskrete Abtastung aus der Pulsfolge des vom Multiplizierer (8) gelieferten Signals (S1.S2.S3) bei jedem Abtastwert nach jedem Nulldurchgang ein Signal erzeugbar ist, das ein Maß für die torsionsbedingte Ver drehung der Signalgeber (1) zueinander darstellt.
    12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Taktgenerator (38) vorgesehen ist, mit dem entsprechend der Abtastrate innerhalb der kleinsten gemeinsamen Periodendauer (T) fortlaufend Signale erzeugt werden und der bei jeder Flanke der Pulsfolge des Signals (S1.S2.S3) ein weiteres Signal generiert, und daß das Ausgangssignal eines Subtrahierers (39) auf einem Zweig über einen Zwischenspeicher (40) an einen Eingang und auf einem anderen Zweig über einen bit-Verschieber (41) und einen Zwischenspeicher (42) an den anderen Eingang des Subtrahierers (39) im Takte des vom Taktgenerator (38) erzeugten Abtastsignals zurückgeführt wird und daß in einem Addierer (45) der aktuelle Signalwert der Pulsfolge (S1.S2.S3) sowie das Signal des Subtrahierers (39) geführt werden, und daß ein weiterer Subtrahierer (43) vorgesehen ist, mit dem vom Ausgangssignal des Addierers (45) der jeweils andere Signalwert der Pulsfolge (S1.S2.S3) abgezogen und beim Vorliegen einer Flanke der Pulsfolge (S1. S2.S3) in den Zwischenspeicher (40) und über einen bit-Verschieber (44) in den Zwischenspeicher (42) anstelle von am Ausgang des Subtrahierers (39) anliegenden Werte übernommen werden, wobei das am Ausgang des
    Addierers (45) anliegende Signal ein Maß für Drehmoment darstellt.
    13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das am Ausgang des Addierers (45) anliegende Signal bei jeder Flanke der Pulsfolge ( S 1 . S2.S3) in ein Schieberegister (50) geführt wird, wobei der Anzahl der Speicherzellen der Anzahl der Flanken der Pulsfolge (S1.S2.S3) innerhalb der kleinsten gemein samen Periodendauer (T) oder innerhalb einem Vielfachen davon entspricht und daß in einem Addierer (51) die Signalwerte der Einzelspeicher addiert werden.
    14. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer optimalen Einschwingverhaltens und einer optimalen Genauigkeit die Abtastrate des Taktgenerators (38) und die Anzahl der bit-Verschiebungen in bit-Verschieber (41, 44) aneinander angepaßt werden.
    15. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der Leistung dem Addierer (41) ein Subtrahierer (52) nachgeschaltet ist, mit dem der Ausgangswert des Addierers (51) im unbelasteten Zustand vom aktuellen Ausgangswert abgezogen wird, und daß ein Akkumulator (53) vorgesehen ist, in dem für eine bestimmte Zeitdauer die Ausgangswerte des Subtrahierers (52) aufaddiert werden, wobei der am Ende der bestimmten Zeitdauer erreichte Wert ein Maß für die Leistung darstellt.
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