Фазоизбирательное устройстводля дВигАТЕля ВНуТРЕННЕгО СгОРАНия Советский патент 1981 года по МПК G01M15/00 

триггера и ко входу блока управления выходы , управления подключены к устаноьичным входам первого счетного триггера и счетчика импульсов Однако в описанном устройстве квантование цикла работы двигателя фазовыми отметками осуществляется равномерно, что при наличии неравномерности вращения коленчатого вала приводит к дополнительной погреш-ности фазойзбирания и измерения фазовых параметров диагностических сигнёшов и является.недостатком этог устройства. Цель изобретения - повышение точности фазоизбирания (формирования фазою 1Х отметок) фазоизбирательным устройством при наличии неравномерности вращения коленчатого вала двигателя. Указанная цель достигается тем, что устройство дополнительно содержи датчик частоты вращения, второй формйрукадий каскад, генератор образдовсй частоты, суммирующий счетчик, вычитгиов -Й счетчик, делитель частоты, первый и второй регистры, вентили переписи кода, первый и второй фО1 1ироватвли импульсов, триггер, первую, вторую и третью схекы совпадения и первый и второй инверторы, этом выход датчика частоты, вращения подключен к входу второго формирующего каскада, выход которого соединен с входами первого формирователя импульсов и первого инвертора, выход последнего подключен к пер вым входам первой и второй схем совпадения, вторые входы которых соединены с выходом генератора образцовой частоты, выход первой схемы совпадения подключен к первому входу вычитакхцего счетчика, второй вход которого соединен с выходом второго инвертора, вход которого подключен к выходу первого формирователя импульсов, к первому входу третьей сх мы совпадения и к первому входу второго регистра, вторые входы последнего соединены с выходами вычита юстего счзтчика, а выходы - с первым входами вентилей переписи кода, вторые входы которых подключены к в ходу измерителя отношения временных интервалов, а выходы - к дополнител ному входу последнего, третьи входы вычитгиощего счетчика соединены с вы ходгиш первого регистра, вторые вхо ды которого подключены к выходам суммирукйдего счетчика, первый вход последнего соединен с выходом делит ля частоты, вход кот.орого подключен к выходу второй схемы совпадения и к первому входу триггера, выход пос леднего соединен с вторым входом третьей схемы совпадения, выход которой подключен к второму входу сум мирующего сЧетчика и к первому вхоу первого регистра, второй вход триггера соединен с выходом второго ормирователя импульсов, вход котороо подключен кпрямому выходу перого счетного триггера. На фиг. 1 изображена блок-схема азоизбирательного устройства; на иг. 2 - блок-схема измерителя отношения временных интервалов на иг. 3 - временная-диаграмма его раоты; .на фиг. 4 - график изменения гловой скорости вращения коленчатоо вала за цикл на фиг. 5 - временная диaгpaJvlмa работы измерителя отошения временных интервалов с учетом екущей неравномерности вращения коленчатого вала. Фазоизбирательное устройство содержит датчик 1 ВМТ, первый формирующий каскад 2, первый счетчный триггер 3, выходы которого соединены с входами (X и 6 измерителя 4 отношения временных интервалов, счетчик 5, второй счетный триггер 6, блок. 7 управления, датчик 8 частоты вращения, второй формирующий каскад 9, первый формирователь 10 импульсов, второй и первый инверторы II и 12, генератор 13 образцовой частоты, первая, вторая и третья схемл совпадения 14, 15 и 16 соответственно, триггер 17, делитель 18 частоты, второй формирователь 19 импульсов, вычитающий счетчик 20, первый регистр 21, суммирующий счетчик 22, второй регистр 23 и вентили 24 переписи кода. Измеритель 4 отношения временных интервалов включает в себя генератор 25 опорной частоты, делитель. 26 опорной частоты, счетчик 27 поделенной частоты, вентили 28, регистр 29, схему 30 сравнения кодов, счетчик 31 опорной частоты, формирователь 32 импульсов, формирующий на сбоем выходе короткие импульсы по переднему фронту сигнала на его входе, формирователь 33 импульсов, формирующий иа своем выходе с задержкой короткие импульсы по заднему фронту сигнала на его входе. Устройство работает следуюЕцим образом. Импульсы с выхода датчика 1 ВМТ поступают через первый формирующий каскад 2 на вход первого счетного триггера 3 и управляют последним так, что на входы а и 6 цифрового измерителя 4, поступают временные интервалы длительностью Тц. Измеритель отношения временных интервалов, выполняющий функцию умножителя частоты, ВЕЛрабатывает на период TU, строго определенное число импульсов (фазовых отметЬк) следующим образом. Вначале осуществляется измерение длительности цикла (посредством счета импульсов частоты f счетчиком 27 в течение 1-го цикла - TtJ. По окончании i-ro цикла по переднему фронту сит- нала на его входе формирователь 32 формирует импульс, поступающий на управляющие входы вентилей 28. В результате в регистр 29 переписывается из счетчика 27 код числ N-цифровой эквивалент длительности цикла. Счетчик 27 через некоторое время задержки, необходимое для на дежной переписи его содержимого в регистр 29, устанавливается в состояние О импульсом с выхода форм рователя 33.I В течение последующего цикла Тц счетчик 27 снова заполняется импул частоты fx , а в счетчике 31 происходит счет импульсов опорной частоты f,значение которой в 720 раз больше значения частоты -f, чт обеспечивает -разрешающую способнос фазоизбирательного устройства в 1 градус. При этом в счетчике 31 за время Тц должно бы быть записано число импульсов N720, та как f . Однако этого не пр исходит, потому что схема 30 сравнения срабатывает всякий раз, когд число импульсов в счетчике 31 стан вится равным N числа записан ному в регистре 29) при этом в ус ройстве, рассматриваемом в качестве прототипа, счетчик 31 импульсами с выхода схемы 30 устанавливается в состояние О и затем снова заполняется импульсами частоты f . За вр 1Я Тц схема 30 срабатывает 720 раз и на выходе измерителя отношения вр менных интервалов за цикл получается 720 импульсов-фазовых отметок. Таким образом, происходит формирова ние фазовых отметок и на последующи циклах. При рассмотрении выше спосо формирования фазовых отметок цикл квантуется фазовыми отметками равномерно, что при наличии неравномер ности вращения коленчатого вала при водит к дополнительной погрешности фазоизбирания и измерения фазовых параметров диагностических сигналов порядка ±.1%. Как известно, в течение цикла; работы двигателя угловая скорость вращения вала не остается постоянно Для две неравномерность вращения вала ш, QQO. достигает 2% и более в зависимости от нагрузки. При этом частота колебательной составляющей угловой скорости определяется числом цилинд ров две (так для 4-х цилиндрового две за 1 цикл колебательная составляющая угловой скорости составляет 4 колебания с амплитудой около 0,01ШсрСФиг. 4) . Для решения поставленноЛ; задачи в предлагаемом устройстве (фиг. l) при формировании фазовых отметок . осуществляется коррекция в соответствии с текущим значением неравномерности вращения вала. Для этой цели цикл работы двигателя сигналами с датчика 8 частоты вращения разбивается на отдельные участки - временные интервгшы, а величина и знак ускорения вращения агша на отдельных участках цикла определяется разностью между опорным и текущим временными интервалами. В качестве опорного выбирается средний за цикл временной интервал. Определение кода среднего временного интервала осуществляется в суммирующем счетчике 22, на вход которого в течение цикла работы ДВе поступают импульсы, частота которых меньше образцовой частоты в столько раз, сколько временных интервалов, формируемых сигналами с датчика 8 частоты вращения, укладывается в одном цикле. В момент начала цикла, по переднему фронту сигнала на прямом выходе первого счетного триггера 3 второй формирователь 19 импульсов формирует на своем выходе короткий и-мпульс, который устанавливает триггер 17 в состояние 1 на его выходе. В результате третья схема 16 совпадения оказывается разблокированной по одному из своих входов.; Одновременно с этим сигналы с датчика 8 с помощью второго формирующего каскада 9 преобразуются в прямоугольные импульсы, формирующие временные интерваль. По передним фро.нтам импульсов на выходе каскада 9 первый формирователь 10 формирует на своем выходе короткие импульсы. Первый после начала цикла импульс с выхода формирователя 10, поступающий на один из входов схемы 16, проходит на ее выход. По переднему фронту этого сигнала, поступающего на первый вход первого регистра 21, в последний переписывается код с выходов суммирующего счетчика 22, который затем по заднему фронту указанного выше сигнала, поступающего на его второй вход, устанавливается в состояние О. По окончании импульса на выходе каскада 9 на выходе первого инвертора 12 появляется сигнал 1, разблокирующий 14 и 15, на выходах которых появляется импульсы Образцовой частоты. При этом, первый импульс с выхода второй схемы 15 совПсщения, поступающий на первый вход триггера 17, устанавливает выход последнего в состояние О, блокируя при этом третью схему 16 совпадения. мпульсы с выхода второй схемы 15 оступают на вход делител-я 18 частоы и с его выхода поступают на счетый вход счетчика 22, в котором форируется код среднего за цикл вреенного интерзала. С началом еледующего цикла описанный выше процесс повторяется. При этом код среднего (опорного) временного интервала переписывается из счетчика 22 в регистр 21, в котором он хранится в течение последующего цикла, а в счет чике 22 начинается формирование кода следующего среднего временного интервсша. Код разности между теКУ1ДИМ и опорным временными интервалами определяется в вычитающем счетчике 20, в который всякий раз перед началом очередного временного интервала по установочному входу записывается код временного интервала, принятого за опорный. При появлении на выходе каскада 9 импульсного сигнала, по переднему фронту последнего формирователь 10 формирует на своем выходе короткий импульс, по которому код текущей разности переписывается из вычитающего счетчика 20 в регистр 23. По окончании импульсного сигнала на выходе формирователя 10, на .выходе инвертора 11 формируется сигнал ., по переднему фронту к торого производится перепись кода из регистра 21 в счетчик 20,/по усTaHOBO4Hoiviy входу последнего. По окончании импульсного сигнала на вы ходе каскада 9 схема 14 разблокируе ся сигналом с выхода инвертора 12, и на вход счетчика 20 начинают, поступать импульсы опорной частоты. В результате в течение очередного вре менного интервала из содержимого счетчика 20 импyльca m опорной час. .тоты осуществляется вычитание кода текущего значения временного интервала. По окончании очередного временного интервала в счетчике 20 образуется код разности указанных выше временных интервалов, при этом разность со знаком + представляет ся в прямом коде, а со.знаком в дополнительном. Этот код по сигналам с выхода формирователя 10, по окончании каждого временного -интерв ла, переписывается из счетчика 20 в регистр 23. Код, записываемый в регистр 23, поступает на. первые вхо ды вентчлей 24 переписи кода, на вт . рые входам которых поступают с выход измеритсгля 4 фазовые отметки. При поступлении на вторые входил вентиле 24 импульсов.фазовых отметок происходит запись кода, по дополнительно входу d измepитeл i 4 в счетчик 31 опорной частоты последнего. В зависимости от кода предварительнойуст новки этого счетчика, происходит соответствующее смещение момента сраб тывания схемы 30. сра внения в измери теле 4 и тем самым смещение каждой следующей фазовой отметки относител но ее положения при равномерном ква товании цикла. Таким образом, учиты . вается текущая неравномерность вращения вала к ее коррекция при форми ровании фазовых отметок. Код коррекции представляет собой величину приращения периода следования фазовых отметок на данном участке цикла по сравнению с периодом следования их на опорном и получается путем масштабирования кода разности временных интервалов получаемого в счетчике 20. Коэффициент масштабирования определяется числом фазовых отметок на отдельном участке, ограниченным двумя последовательными импульсами с выхода каскада 9, и обеспечивается соответствующим соотношением между опорной частотой в измерителе 4 и опорной частотой, генератора 13, кодирующей разность временных интервалов в счетчике 20. Рассмотрим работу устройства на конкретном примере. Объект диагностирования - 4-х цилиндровый две, скоростной режим - -ISOO об/мин, число импульсов с датчика «астоты вращения за оборот вала (число зубьев маховика) - 100, неравномерность вращения коленчатого вала - 2%. При вращении коленчатого вала за цикл наблюдаются (Лиг. 4) последовательные этапы ускорения (i |iM|V|Vf/) и торможения ( п ,и ,V( ,viil) вращения. Рассмотрим работу устройства на этапе 1 (работа его на остальных этапах ничем не отличается от рассматриваеMoroj . При заданных оборотах и числе зубьев маховика длительность цикла равна Тц - 80 мс, а ее цифровой эквивалент, записываемый в регистр 29 измерителя 4, равен Н .W 25 , (так как опорная частота f , выбрана равной 18 МГц,/ а поделенная частота-. равна 25 кГц), среднее значение периода следования сигналов с датчика 8 частоты вращения равно Т р-400 мкс. Работа устройства при осуществлении коррекции происходит следующим образом. С началом очередного цикла происходит перепись кода среднего опорного временного интервала, определенного на предыдущем цикле, из счетчика 22 в регистр 21, как это было описано выше. Затем в счетчике 20 производится измерение разности меж- . ду длительностялш опорного и текущих участков цикла - измерение текущего значения ускорения вала на отдельных участках цикла по отношению опорному . Для соответствующей коррекции фазовых отметок необходимо О1тределить величину изменения периода их следования на текущем участке по сравнению с периодом следования их на опорном участке цикла (эта величина зависит от значения текущего ускорения и числа фазовых отметок, формируемых на отдельном участке цикла, и определяется как частное от деления значения текущего ускорения на число фазовых отметок). Это делается автоматически - с помощью соответствую щего выбора частоты импульсов кодиру щих разность временных интервалов в счетчике 20. Для рассматриваемогЬ примера, при разрешающей способности в 1 градус на участке цикла необходимо сформировать 360:100 - 3,6 фазовых отметки. Опорная частота в измерителе 4 отношений равна 18 МГц тогда частота импульсов f, кодирующих разность временных интервалов в счетчике 20, должна быть в п раз ниже , (h- число фазовых отметок на участке цикла) и равна 5 МГц. Таким образом, результат измерения разности длительностей опорного и -i -го участков цикла будет представлять собой код коррекции - величину изменения периода следования фазовых отметок на i+1 участке цикла. По окончании каждой операции измерения разности временных интервалов, результа с выхода счетчика 20 переписывается в регистр 23. При этом каждая фазовая отметка, формируемая на выходе измерителя 4, поступает на вторые входы вентилей 24 и текущий код коррекции из регистра 23 переписывается по входу d измерителя 4 в счетчик 31 опорной частоты последнего. Вход сЗ измерителя 4 представляет собой вход предварительной установки счетчика опорной Частоты последнего. Таким образом, следующая фазовс1Я отметка на текущем участке цикла будет сформирована оаньше или позже, чем на опорном на величину

где разность между опорным и i-M временным интервалом, так как счет импульсов в счетчике опор ной частоты измерителя 4 начинается не с нуля, а с числ.а, записанного в него по входу (3 .

Так, на некоторых участках цикла () разность ме5кду дительностями опорного и текущего временных интервалов положительна и возрастает по мере увеличений ускорения вращения вала. При этом возрастает и код коррекции, в результате чего фа- зовые отметки формируются с более высокой частотой, чем на опорном участке цикла.

Самая высокая частота следования фазовых отметок будет на 26-ом участке цикла, так как она будет определяться разностью между длительностями опорного и 25-го участков цикла, которая будет максимальной и равной для рассматриваемого случая:

Т - T/ij 400-0,01 4 МКС.

1

r,.0,05%

Погрешность ОТ запаздывания коррекции определяется величиной приращения кода коррекции при переходе от одного участка цикла к другому (см. таблицу) . Эта величина для рассматриваемого случая не превышает единицы. Поэтому эта составляющая погрииности составляет

,05%

Следовательно, в предлагаемом устройстве погрешность формирования фазовых отметок и, следовательно, фазоизбиранияснижается более, чем на порядок, по сравнению с прототипом.

Фазовые отметки с выхода измерителя 4 поступают на вход счетчика 5, в который перед началом последовательности фазовых отметок записывается число:

N ,, При этом код коррекции будет состав-/ лять величину: 4.10 c-5-10°Vc 20 На других участках цикла () разность между опорным и текущим временными интервалами отрицательна и уменьшается по мере увеличения ускорения вращения вала. При этом код коррекции.представляется в дополнительном коде. Это значит, что в счетчике 31 измерителя 4 (после введения кода коррекции) при поступлении на его вход числа импульсов равного шслу единиц в прямом коде коррекции произойдет переполнение указанного счетчика и установка его в состояние О, а затем при поступлении на его вход числа импульсов, равного М(число, записанное в регистре 29 измерителя 4) произойдет срабатывание схемы 30 сравнения измерителя 4 и будет сформирована очередная фазовая отметка. Таким образом, на текущем участке цикла период следования фазовых отметок будет бо-:льше, чем на опорном. Коды коррекции и определяемые ими изменения периодов следования фазовых отметок на отдельных участках цикла при изменении угловой скорости (изза неравномерности вращения вала) в течение цикла по синусоидальному закону приведены в таблице .. Основная погрешность предлагаемого устройства характеризуется такими составляющими, как погрешность дискретности коррекции и погрешность от запаздывания коррекции (код коррекции на текущем участке цикла определяется величиной относительного ускорения вращения на предыдущем участке цикла) . Для рассматриваемого случая погрешность дискретности составляет

где - число фазовых отметок, форMHpyeNBJX а а цикл,

К - число фазовых отметок, соответствуклцих началу строба.

После первого переполнения счетчика 5 импульсами с выхода измерителя 4 в счетчик 5 записывается число:

(- ,1

где N2. - число фазовых отметок, соответствующих концу строба. В резуль: тате на выходе триггера 6 в течение Цикла работы двигателя появляется импульс длительностью f, передний фронт которого соответствует фазе , а задний - фазе цикла. Следующий цикл работы устройства может начинаться .либо автоматически по сигНалу второго переполнения счетчика 5, либо по комадне, подаваемой на вход 3 блока 7 управления. В блок 7 по входу П вводятся числа Ntp, , а.на вход Зп подается команда Запуск, по которой триггер 3 устанавливается в исходное состояние.

соответствующее отсутствию сигнала на входе а измерителя 4, а в счетчик 5 записывается число П((.

Для синхронизации работы устройства блок управления 7 снабжен син. хронизирующим входом С. Импульс с выхода триггера б может быть использован для управления ключа.ми измерительных трактов различных параметров процессов, сопровождающих работу двигателя.

Из описания принципа работы предлагаемого фазоизбирательного уст. ройства видно, что введение датчика частоты вращения, формирующего каска,ца, генератора образцовой частоты, суммирукяцего и вычитакщего счетчиков, регистра, вентилей переписи кода, четырех форг шрователей импульсов, двух триггеров, трех схем совпадения и

д дополнительного входа в цифровом измерителе отношением временных интервалов позволило повысить точность формирования фазовых отметок и, следовательно, фазоизбирания.

со

00

гм

гН

1 Ей

I Ф I II

сг и ъ:

S о (U (U Iк

g§§S :

о Ж DS с « о « I о

о л (U tt ч я о

S ii а S

и s SaDtuscoXf.:

к ч о Hdnsst niroScuo V (U т X

i он кжаоявЮЗвр

Формула изобретения

Фазоиэбирательное устройство для двигателя внутреннего сгорания, содержащее датчик верхней мертвой точки, первый формирующий каскад, первый и второй счетные триггеры, цифровой измеритель отношен;вя временных интервалов, счетчик 11мпульсов и блок управления, причем, датчик верхней мертвой точки через первый формирующий каскад подключен К первому счетному триггеру, выходы которого подключены к измерителю отношения временных интервалов со счетчиком им-; пульсов на выходе, выход последнего подключен к входу второго счетного триггера и ко входу блока управления, выходы блока.управления подключены к установочным входам первого счетного триггера и счетчика импульсов, отличающееся тем что, с целью повышения точности при наличии неравномерности вращения вала, устройство дополнительно содержит датчик частоты вращения, второй формирующий каскад, генератор образцовой частоты, суммирующий счетчик, вычитающий счетчик, делитель частоты, первый и второй регистры, вентили переписи кода, первый и второй формирователи импульсов, триггер, первую, вторую и третью схе№ совпадения и первый и второй инверторы, при этом выход датчика частоты вращения подключен к входу второго формирующего каскада, выход которого соединен с вход;ами первого формирователя импульсов и первого инвертора, выход последнего подключен к первым входам первой и второй схем совпадения, вторые входы которых соединены с выходом генератора образцовой частоты, выход первой схемы совпадения подключен к первому входу вычитающего счетчика,, второй вход которого соединен с выходом второго инвертора, вход которого подключен с к выходу первого фомиррвателя импульсов, к первому входу третьей схемы совпадения и к первому входу второго регистра, вторые входы последнего соединены с выходами вычитающего счетчика, а выходы - с первыми

0 входами вентилей переписи кода, вто, рые входы которых подключен к выходу измерителя отнсяиения временных Iинтервалов, а выходы - к дополнительному входу последнего, третьи входы

5 вычитающего счетчика соединены с выходами первого регистра, вторые входы которого подключены к выходам суммирующего счетчика, первый вход последнего соединен с выходом делителя частоты, вход которого подключен к выходу второй схемы совпадения и. к первому входу триггера, выход последнего соединен с вторым входом третьей cxeNEi совпадения, выход которой подключен к второму входу суммирующего счетчика и к первому входу первого регисара, второй вход триггера соединен с выходом второго формирователя импульсов, вход которого подключен к прямому выходу первого

0 счетного триггера.

Источники информац,ии, принятые во внимание при экспертизе

0 №446845, кл. G, 01 М 15/00, 1972.

а«д.5/

ВыаЗО

(fpMfX Knot НтагК Uma

и 01 d Of