确定转速的方法

专利名称：确定转速的方法
技术领域：
本发明涉及一种确定转速的方法和实施这种方法的一种装置。
背景技术：
公知有各种确定旋转运动转速的方法。例如从DE 35 05 440 A1,US 4 173 896， EP 0 315 357 Al和EP 0 408 877 Al公知的是用于旋转的内燃机的方法，在这些方法中机 器的转速是从电或机械参数得到的。但是，这些方法不是对所有旋转的机器例如像电动机 普遍可使用的。此外，在内燃机时由于不良的可接触性，例如当内燃机用棒状点火线圈运行 时，还往往需要昂贵的适配作业或甚至完全排除适配。以固体声或空气声为基础用于确定转速的方法，例如从DE 44 40 999，EP 724 159和EP 769 698中是公知的。这些方法从由传感器接收的信号中通过信号转换，例如通 过傅立叶-变换，由位置空间到频率空间求得，以便在那里通过适当的特征定义确定转速。 这些方法在稳定的转速时部分达到良好结果，然而在高动态过程时随着快速变化着的转速 却失败，如它们例如在内燃机从空载到满负荷范围的自由起动时出现那样。

发明内容
本发明的任务是提供一种用于确定旋转运动转速的改进的方法，该方法也能在动 态过程时，就是说尤其是在很快变化着的转速时用高精确度确定转速。这个任务通过如独立权利要求1的一种方法和如独立权利要求9的一种装置来解 决。从属权利要求说明独立权利要求对象的有利实施形式。用于确定机器旋转运动转速的本发明的方法包括步骤a)提供一个基准信号，该信号相应于至少近似已知的机器的基准转速；b)从基准信号中切出一个基准范围，其中基准范围相应于机器的一转或多转；c)当机器用一个未知的要确定的转速旋转时，接收一个测量信号；d)从测量信号中切出一个测量范围，其中测量范围不等于基准范围；尤其是测量 范围在以后的时间点作为基准范围接收；e)确定基准范围与测量范围之间的相关性。在此，将基准范围与测量范围之间的 相关性多次确定，其中对于测量范围接受多个彼此不同的假设的转速。在此，将测量范围分 别标定(skaliert)到对应于相应的假设转速的时间间隔上；f)确定假设的转速，在该假设的转速时基准范围与测量范围之间的相关性最大。基准范围与测量范围之间的相关性最大时的接受的转速就是旋转运动的真实转 速。为了连续确定(有时可变的)转速，将该方法随便频繁地重复。在这种情况下，在 每个下面的过程中，之前进行过程的测量范围作为基准范围和用该方法在之前进行的过程 中求得的转速作为当前过程的起动数值应用。按照本发明用于确定转速的一种装置有至少一个传感器，该传感器接收用与所测3量旋转相关联的信号，转换成电信号和把电信号继续给到分析单元上。设置分析单元，用本 发明的方法去分析传感器产生的电信号和如此确定旋转的转速。通过本发明的方法和本发明的装置，也可以在很大的转速波动时用高精确度确定 旋转运动的转速。该方法建立在跟现有技术相比改变的传感器信号的处理上。尤其是为了 确定旋转运动的转速，不需要第二信号源。在一个实施形式中，传感器是个声传感器，该传感器设计用于接收由旋转的声源 发出的声波和转换所接收的声波为电信号。声传感器可以设计为空气声传感器或固体声传 感器，其在机械上例如用探测头或磁铁适配到所测量的对象上。在一种替代的实施形式中，传感器是光学传感器，该传感器接收一个用与待测量 的旋转相关联的例如通过马达振动产生的光学信号和转换成电信号，将该电信号为了进一 步传送到分析单元上。在一个按照本发明用于确定转速的装置中，该装置有声传感器或光学传感器，在 传感器与要测量的对象之间，例如与内燃机之间不需要机械连接。测量装置的操作因此而简化。声传感器和光学传感器跟磁性传感器相比有一些优点，磁性传感器是以所测量对 象的磁性构件为前提。在现代的汽车和/或马达中往往只应用少量的磁性材料和/或磁性 材料仅很难触及，致使应用磁性传感器，如果真的可能的话，是与忽略不了的装配花费联系 在一起的。然而，该方法不局限到声传感器和/或光学传感器的应用上。可以应用每种提供 信号的传感器，该信号以清楚无误的方式与所测量旋转的转速有关。这样，例如电动机或内 燃机点火装置的电流-或电压信号也可以量取和为按照本发明的确定转速所应用。在该方法的一个实施形式中，测量范围与基准范围之间的相关性在应用互相关函 数的情况下确定。互相关函数的计算是相关性确定的合适的方法。在该方法的一个实施形式中，步骤C)至f)随便多次重复，其中之前过程的测量范 围作为当前过程的基准范围应用。因此，也可以继续用高精确度确定变化的转速。在一个实施形式中，基准信号是从在真正的测量之前接收的测量信号中抽出的。 因此可以特别简单和有效地提供基准信号。在一个实施形式中，本发明用于确定转速的方法，包括通过基准信号的快速傅立 叶变换(FFT)分析或柯氏谱分析确定第一、恒定的基准转速的步骤在内。因为这样确定的 基准转速只用作为用下面的本发明的算法准确确定转速的起动数值，足够的是基准转速只 是近似地确定的，致使它带有某种程度的误差。一种方法，在该方法时如此确定基准转速，使方法的自动校准有可能，以致于不需 要用户进行的校准程序。因此，转速的确定明显简化和它的精确性和可靠性得到改善，因为 将校准时的误差排除。在本发明方法的一种实施形式时，在步骤e)中对于测量信号所接受的多个假设 的转速处于所测量的旋转运动期待的转速的范围之内，该范围围绕最后确定的转速安排。 期待着的转速范围的大小由测量的旋转运动的物理边界条件得出。这样，在测量马达的旋 转运动时由马达的特性公知，转速在一定的时间间隔之内最大可以以一个确定的数值增大 或减少。然后，从一个范围中选出假设的转速，该范围围绕最后确定的转速安排和包括在马达最大可能的正或负加速度时是可达到的转速的范围。通过从与最后确定的旋转运动转速有关的期待范围选出假设的转速，该方法是特 别有效的，因为在步骤e)中相关性只是对于这些假设的转速而计算，这些转速处于期待着 的范围中。在此，真实的转速可以在预先给出的计算能力时特别迅速地确定，该计算能力供 计算相关性使用。相反的是，为了在预先给出的时间中确定转速所必须的计算能力降低的， 致使该方法可成本低廉的实施。在一个实施形式中，如果合理性检验得出在步骤f)中求得的转速不合理，则该方 法还包括在合理性上检查在步骤f)中所确定转速的步骤和重复步骤e)和f)的步骤。通 过这些附加的步骤，识别在求取转速时的误差并通过重复步骤e)和f)加以修正。在重复该方法时，在一个实施形式中作为基准信号应用一个人工产生的基准信 号。通过应用人工产生的基准信号将避免在重复该方法时又求得不合理的转速。可选的是，从其中选出假设转速的范围可以扩展。如果转速确定已经在之前进行 的周期中容易出错，这就是特别可望成功。也可以考察互相关函数的多个最大值，对应于正确转速的最大值可以通过合理性 考察确定。也可以添加诸如FFT分析或K印strung柯氏普)分析那样的其它信号处理方法， 以便经过合理性考察确定正确的结果。尤其是为了确定正确的结果，可以将其中多个之前提到的方法组合。通过处理附加传感器通道，例如像布置在不同位置上多个固体声接收器，和/或 空气声和固体声的分析，该方法的精确度还可以进一步提高。在一个实施形式中要检查，在步骤e)和f)中求得的最大相关性是否超过预先给 出的极限值和如果最大相关性没有超过预先给出的极限值是否重复确定转速的方法。通过 求得的最大相关性与预先给出的极限值的比较，可以有效和简单地检查所确定转速的合理 性。测量的质量得到改善，因为在确定转速时识别出不合理的结果和在这种情况将确定重 复进行。在一个实施形式中，由传感器接收的信号是声音信号，例如马达的运行噪声。通过 分析诸如马达运行噪声那样的声音信号，可以有效和简单地确定出造成声音信号旋转的转 速。在一个实施形式中，该方法还包括在中间存储器中存储由传感器所接收的测量信 号的和包括在步骤c)中所接收的和在中间存储器中所存储的测量信号的以及在步骤e)和 f)中确定的旋转运动转速的基础上实施角同步频率分析(布置分析)的步骤。这样一种方法使角同步的频率分析成为可能，而没有为此需要诸如第二传感器那 样的附加信号源。这是可能的，因为转速信息本身包含在测量信号中。这个信息通过用于 确定转速的本发明方法从信号中提取。第二信号源的费用可以节省和角同步的频率分析可 以特别有效和成本低廉地实施。按照本发明的装置还包括一个放大器，该放大器是为了放大由传感器产生的电信 号设计的。用放大的传感器信号也可以在较弱的信号强度时很准确地进行转速确定。在一个实施形式中，本发明的装置包括一个模数(A/D)转换器，该转换器是为了 由传感器产生的模拟信号到数字信号的转换设计的。数字信号可以特别好地例如用可编程的微处理器处理。尤其是数字信号的相关性可以特别简单确定。在一个实施形式中，装置还包括一个显示器，该显示器是为了显示由分析单元确 定的转速设计的。通过显示装置可以将由装置确定的转速告知装置的用户。


在下面用附图详细说明本发明。其中图1本发明方法的示意流程图；和图2用本发明方法测量的转速曲线与用基准传感器测量的转速曲线的比较。
具体实施例方式图1示出的是按照本发明用于确定转速方法的示意流程图。将由一个未示出的、例如设计为空气声、固体声或光学传感器的传感器接收的信 号(步骤1)放大(步骤2、和通过模数转换器转换成数字信号(步骤4)。在需要时，模数 转换器包括一个抗-混叠(Anti-Aliasing)-滤波器，就像在现有技术公知的那样。也可以 设置一个带通滤波器，以便最小化所接收信号的噪声。在起动该方法时，就是说在第一次确定转速时，从数字信号通过公知的用于频率 分析的算法，如FFT或柯氏谱(Kepstrum)分析那样，得到转速起动值(步骤6)，该值用作为 基准转速。在这种情况下，基准转速允许有差错，因为它只是用作为通过随后算法精确确定 转速的起始点。然后，从传感器所接收的信号切出一个基准范围，该范围相应于大约一个周期的 旋转(步骤8)。基准范围形成下面确定转速的基准。以此，方法的初始化结束。初始化步骤6和8在起动方法时只实施一次。在下面的转速确定时，之前进行转 速确定的切出的范围(测量范围)和此时确定的转速用作为基准范围或作为用于当前转速 确定的起动值。就是说，该方法在下面的转速确定时在照步骤4中的模数转换后直接用步 骤10继续进行在步骤10中，从数字化的测量信号中切出一个在以后的时间点作为基准范围接 收的测量范围，该测量范围大致相应于被测量旋转运动的一个或多个转动周期。于是，用一般公知的数值方法，例如像互相关函数的方法那样，其确定第二、在步 骤10中切出的测量范围与基准范围之间的相关性。基准范围在方法第一次实施时是在步 骤8中初始化时确定的范围。在以后重复实施方法时，在之前进行转速确定中切出的和应 用的测量范围用作为下面转速确定的基准范围。在重复相关性确定之前(步骤14)，为测量范围接受各种假设的转速，测量范围对 于每个假设的转速标定到一个另外的、对应于各假设转速的时间间隔(步骤1 上。在此，所接受的假设的转速处于期待的转速的范围之内在之前确定的转速周围。 期待的转速的范围从所测量旋转的动态特性可得出，就是说例如从发动机的特性得出，该 发动机产生所测量的旋转。基于发动机最大可能的正或负的加速，在预先给出的时间间隔 之内转速只能以有限的数值改变。在此，转速必须在有限的范围中处于之前确定的转速周 围。从这个有限的范围中选出这些假设的转速就足够，对于假设的转速确定相关性。
步骤12、14和16为不同的假设的转速进行重复和确定出那个假设的转速，在该转 速时基准范围与测量范围之间的相关性最大。基准范围与测量范围之间的相关性最大时的 转速是旋转运动的真实转速。此外，可以进行一个在图1中未示出的、所得到的最大相关性数值的门限值询问， 以便在其合理性上检查所求得的结果。如果最大相关性数值低于预先给出的门限值，那么 所求得的结果是不合理的和要重新为不同的假设的转速进行相关性的确定。对此，在一个 实施例中应用一个人工的基准信号代替之前确定的基准范围，以便避免也在重复转速确定 时又确定出一个不合理的转速。为了连续确定有时变化的转速，将该方法用步骤10继续下去，其中迄今的测量范 围和为这个范围确定的转速为一个以后接收的测量范围紧接着的转速确定用的基准范围 或基准或起动转速应用。转速可如此连续地分别在最后确定的转速的基础上去确定。该方法也可以进一步发展，以便除了转速确定之外还进行布置分析 (Ordnungsanalyse) 22，就是说进行角同步的转速确定。为此，测量信号，在步骤2中放大以后和在步骤4中转换成数字信号以后，中间存 储在一个存储器中(步骤20)。用数字化的测量信号先将按照本发明的转速确定依照之前说明的方法(步骤10 至16)进行，以便确定旋转运动的转速。按照本发明的转速确定之后用储存在中间存储器中的测量信号和按照本发明确 定的旋转的转速进行通常的布置分析(步骤22)，布置分析就像对专业人员公知的那样。和在迄今公知的用于布置分析的方法不一样，为此没有要求第二信号发生器，该 信号发生器由一个独立的来源提供转速信息供使用。因为节省了第二信号发生器，降低了 安装花费和测量装置的费用。图2示出一个曲线图，在该曲线图中用按照本发明方法求得的转速曲线(点划线) 与从汽车电池电压剩余波纹确定的转速曲线(实线)进行对比。对此，转速在y_轴上和时 间在图的X-轴上。曲线图表明，即使转速受很大的波动，按照本发明的方法也能用高精确度确定出 内燃机的转速。尤其是，该方法也能跟随转速的快速改变，就像转速例如在第三与第四秒之 间的范围中加速时出现的那样，如同第五与第六秒之间负的加速度(发动机制动)。跟迄今公知的方法相反，测量结果也在快速的转速改变时直接跟随改变的转速， 而没有出现时间延迟。因此，该方法很好地适用于用高精确度确定强烈波动的和快速改变 的转速。
权利要求
1.用于确定机器旋转运动转速的方法，有下列步骤a)提供基准信号，该信号相应于至少近似已知的机器基准转速；b)从基准信号中切出(8)基准范围，其中基准范围相应于机器的一个或多个转动；c)当机器用未知的转速旋转时，接收(1)测量信号；d)从测量信号切出(10)测量范围；e)确定基准范围与测量范围之间的相关性(14)，其中对于测量范围接受多个彼此不 同的假设的转速和将测量范围标定到对应于相应假设转速的时间间隔上(12)；f)确定假设的转速，在该假设的转速时基准范围与测量范围之间的相关性最大，为旋 转运动(16)的真实转速。
2.如权利要求1的方法，其中相关性借助于互相关函数确定。
3.如权利要求1或2的方法，其中将步骤c)至f)多次重复和过程η的测量范围用作 为下面过程η+1的基准范围。
4.如上述权利要求中任一项的方法，其中该方法在步骤a)中通过基准信号的FFT分析 或柯氏谱分析(6)包括基准转速的至少近似确定。
5.如上述权利要求中任一项的方法，其中在步骤e)中所接受的假设的转速处于围绕 最后确定的旋转运动转速期待改变的范围中。
6.如上述权利要求中任一项的方法，其中该方法还包括步骤g)检查在步骤f)中所确定转速的合理性；和h)如果合理性的检查得出所求得的转速是不合理的，则重复步骤e)和f)。
7.如权利要求6的方法，其中在重复步骤e)和f)时，应用来自人工产生的信号的范围 作为基准范围。
8.如上述权利要求中任一项的方法，其中该方法还包括cl)存储00)由传感器接收的测量信号的步骤和1)在步骤c)中接收的和在步骤cl)中储存的测量信号的和在步骤f)中所确定的旋转 运动的转速基础上进行布置分析0 的步骤。
9.用于转速确定的装置带有至少一个传感器，该传感器设计用于接收由旋转的设备发出的信号和用于转换所接收 的信号为至少一个电信号，和分析单元，设置该分析单元，用于用如上述权利要求之一的方法分析传感器产生的电 信号，以便确定旋转的设备的转速。
10.如权利要求9的装置，其中从旋转的设备发出的信号是声信号及传感器是声传感ο
全文摘要
本发明涉及确定转速的方法。用于确定机器转速的本发明的方法包括步骤a)提供基准信号，该信号相当于至少近似公知的机器基准转速；b)从基准信号中切出基准范围，其中基准范围相当于机器的一个或多个转动；c)当机器用一个未知的要确定的转速旋转时，接收测量信号；d)从测量信号中切出测量范围，其中测量范围不等于基准范围，尤其是测量范围在以后的时间点作为基准范围接收；e)确定基准范围与测量范围之间的相关性。此外，将基准范围与测量范围之间的相关性多次确定，其中为测量范围接受几个彼此不同的假设的转速；和f)确定假设的转速，在该假设的转速时基准范围与测量范围之间的相关性最大。
文档编号G01P3/80GK102053166SQ201010540328
公开日2011年5月11日 申请日期2010年9月30日 优先权日2009年10月7日
发明者G·B·比达尔, G·哈加, K·斯滕格尔, M·舒曼, R·西格 申请人:罗伯特.博世有限公司