Ingenieurbüro für Leistungselektronik und Antriebe
L-E-A | Dr. Volker Bosch
Beratender Ingenieur / Consultant

 

 

 

Digitale und analoge Elektronik

Drehzahlmessung mit dem Stroboskop

Die Drehzahlmessung mit Hilfe eines Stroboskops stellt eines der ältesten Verfahren zur berührungslosen Messung von Drehzahlen bzw. Winkelgeschwindigkeiten dar. Eine schnell schaltende Lampe, also keine Glühlampe, blitzt mit fester Frequenz eine optische Markierung an, die starr mit der Welle des zu messenden Objekts verbunden ist. Entspricht die Blitzfrequenz der mechanischen Frequenz, ergibt sich für den Beobachter ein stehendes Bild, die Markierung steht scheinbar still.
Sind die Frequenzen identisch, erscheint die Markierung nur ein einziges Mal. Ist die Blitzfrequenz ein Vielfaches der mechanischen Frequenz, erscheint die Markierung entsprechend oft. Es ist jedoch zu beachten, dass sich auch stehende Bilder ergeben können, wenn die Blitzfrequenz einen Bruchteil der mechanischen Frequenz darstellt. Die Blitzfrequenz sollte aus diesem Grund bereits zu Beginn der Messung in der Nähe der erwarteten mechanischen Frequenz liegen.
Dieses Messverfahren verschafft dem Nutzer auch einen Eindruck über die Drehzahlkonstanz des Messobjekts. Auch geringe Drehzahlschwankungen werden durch Phasensprünge der Markierung deutlich angezeigt.

Das hier beispielhaft abgebildete Stroboskop erzeugt die Blitzfrequenz in einem Mikrocontroller mittels direkter digitaler Synthese (DDS). Mit einer konstanten Frequenz werden Phasenschritte in einem Akkumulator-Register (Akku) aufsummiert, wobei der Akku bei Erreichen eines Grenzwerts überläuft, d.h. der Grenzwert wird von dem aktuellen Wert des Akkus subtrahiert. Nach der Addition eines neuen Phasenschritts wird der Wert des Akkus als Abszisse (x-Wert) einer Sinuskurve interpretiert. Die zugehörige Ordinate (y- oder Funktionswert) wird einer Tabelle entnommen und ausgegeben, beispielsweise über einen Digital-Analog-Konverter (DAC).
Die Breite des Akkus darf die Breite der Einträge in der Sinus-Tabelle überschreiten. Bei der Ausgabe werden dann nur die höherwertigen Stellen des Akkus verwendet. So kann beispielsweise ein 12-Bit DAC mit einem 16-Bit breiten Akku kombiniert werden, da lediglich die oberen 12 Bit des Akkus an den DAC übergeben werden.
Die Frequenz des DDS-Signals entspricht dem Produkt aus dem Werte des Phasenschrittweite und der zugehöriger Frequenz, mit welcher diese im Akku summiert werden, dividiert durch die Breite des Akkus (Grenzwert+1). Durch geschickte Auswahl von Phasenschrittweite, der Summationsfrequenz und der Akku-Breite, kann die Periodendauer bzw. die Frequenz der erzeugten Sinuskurve in einem sehr weiten Bereich variiert werden. Es ist jedoch zu beachten, dass das Ausgangssignal einen hohen Anteil von Oberschwingungen aufweist ("Treppchen"), ibs. bei weiten Phasenschritten. Diese "Treppchen"müssen durch ein geeignetes Tiefpassfilter entfernt werden.
Dieses Tiefpassfilter ist auch dann notwendig, wenn nicht die sinusförmige Signalform, sondern lediglich deren Frequenz weiterverarbeitet wird, wie bei der hier vorgestellen Anwendung als Frequenzgenerator eines Stroboskops. Die Flanken der "Treppchen" des DDS-Signals würden ansonsten zu einem starken Phasenjitter der erzeugten Frequenz führen. Ein Effekt, der den Nutzen eines Stroboskops einschränken würde. Das hier gezeigte Gerät verwendet einen durchstimmbaren Geschalteten-Kondensator-Tiefpass (switched capacitor, SC), welchem mehrere analoge Tiefpassfilter nachgeschaltet sind. Die so geglättete Sinuskurve wird einem Komparator zugeführt, der die Nulldurchgänge des Signals detektiert und einen Timer im Single-Shot-Modus triggert, welcher den Blitzimpuls erzeugt. Frequenz und Pulsbreite der Blitze sind in einem weiten Bereich von 50 mHz bis 10 kHz und einer Pulsbreite von 1 % bis 99 % der Periodendauer einstellbar. Das Gerät zeigt die Frequenz und die zugehörige Drehzahl an. Beide Größen können für die Messung eingestellt werden. Weitere Funktionen sind:

Bei dem verwendeten Mikrocontroller können die meisten Funktionen direkt in Hardware auf den zahlreichen Peripheriebaugruppen implementiert werden, wobei diese Baugruppen ihre Ein- und Ausgangssignale unabhängig von der CPU des Mikrocontrollers über Hardware-Kanäle austauschen können.
Lediglich die Synthese des Sinussignals (DDS) wird mittels einer Interrupt-Routine erzeugt. Da diesem jedoch die höchste Interrupt-Priorität zugewiesen wurde, ist die Latenzzeit der Signalerzeugung hinreichend gering.

 


Aktualisiert: 2021-11-27