PMX CASMA-Filter

Kurzbeschreibung

Diese Anleitung beschreibt den Einsatz eines speziellen Filters zum Mitteln eines verrauschten Drehmomentsignals.

Das CASMA-Filter (Crank Angle Sampled Moving Average) arbeitet winkelsynchron und ist zeitunabhängig, was ein automatisches Reagieren auf Drehzahländerungen zulässt. Das PMX bietet zu diesem Zweck einen eigenen Berechnungskanal. Anhand eines kleinen Beispiels soll der Einsatz eines CASMA-Filters mit einem T40B Drehmomentaufnehmer an einem sternförmigen 5-Zylindermotor demonstriert werden.

Grundlagen

Aufgrund des Arbeitstakts eines Verbrennungsmotors mit Verdichtung und Ausdehnung der einzelnen Zylinder und der zugehörigen Schwankungen beim Verbrennungsvorgang weist das von einem Motor erzeugte Drehmoment ein recht dynamisches Verhalten auf. Diese Störungen sind systembedingt und können das gewünschte Messsignal erheblich beeinträchtigen.

Das CASMA-Filter eliminiert diese periodischen Störungen, die synchron zur Drehung einer Welle sind. Es führt ein Verfahren des gleitenden Mittelwerts aus. Das Filter arbeitet nicht wie gewöhnlich zeitsynchron. Es arbeitet vielmehr synchron zur Wellenumdrehung. Die Filterwirkung hängt daher nicht von der Rotationsgeschwindigkeit ab.

Die Berechnungsperiode des Filters ist proportional zur Rotationsgeschwindigkeit. Wenn die Drehung stoppt, hört auch das Filter auf zu arbeiten.

Das CASMA-Filter

Berechnungskanal erstellen

Erstellen Sie einen neuen Berechnungskanal „Winkelsynchrones Filter“ in der Kategorie Auswertung.



Parameter einstellen

  • Filtereingabe: Geben Sie hier das zu filternde Signal an.
  • Winkel: Geben Sie hier das Signal des Drehwinkelsensors an. Die Messwerte müssen zwischen 0° und 360° liegen.
  • Fensterbreite: Geben Sie hier an, über welchen Bereich die gleitende Mittelwertbildung erfolgen soll. Die Breite muss zwischen 30° und 720° liegen, die Voreinstellung ist 180°. Das Verhältnis zwischen Fensterbreite und Auflösung muss kleiner als 180 sein.

Die Fensterbreite kann ganz einfach experimentell ermittelt werden, indem man  die Periodendauer der Störung auf den Drehwinkel projiziert (siehe Screenshot). In diesem Beispiel ergibt sich eine periodische Störung alle 720°.

  • Minimale Drehzahl: Diese virtuelle Drehzahl kommt zum Einsatz, wenn das anliegende Drehzahlsignal kleiner ist als die definierte Minimaldrehzahl.
  • Auflösung: Dieser Wert legt fest, wie häufig (alle wie viel Grad) ein neuer Mittelwert berechnet wird. Beachten Sie, dass die maximal zulässige Drehzahl von diesem Wert abhängt, da die Berechnungsgeschwindigkeit durch die Gesamtaktualisierungsrate festgelegt ist. Als theoretischer Wert ergibt sich:

Maximale Drehzahl = Auflösung * Gesamtaktualisierungsrate / 6.

Sie sollten jedoch in der Praxis Werte verwenden, die nur 10% bis 20% dieser theoretisch maximal möglichen Drehzahl betragen.

Auflösung

Theoretische max. Drehzahl bei 19.200 Hz Gesamtaktualisierungsrate

Theoretische max. Drehzahl bei 38.400 Hz Gesamtaktualisierungsrate

3200 U/min

6400 U/min

6400 U/min

12.800 U/min

12.800 U/min

25.600 U/min

19.200 U/min

38.400 U/min

25.600 U/min

51.200 U/min

Die folgenden Vielfachen der Drehzahl werden abhängig von der Fensterbreite unterdrückt:

Fensterbreite

Vielfache

90°

4, 8, 12, …

120°

3, 6, 9, …

180°

2, 4, 6, …

360°

1, 2, 3, …

720°

0, 5, 1, 1, 5, …

Hinweis: Falls eines der Quellsignale ungültig ist, wird auch das Ausgangssignal ungültig.

CASMA in Aktion

Ungefiltertes Drehmomentsignal (rot), durch CASMA gefiltertes Drehmoment (grün).
Hierbei ist klar zu sehen, dass das CASMA-Filter eine sehr gute Stabilisierung der Drehmomentmessungen in Korrelation zur Motordrehzahl erreicht, die sich ebenfalls im Zeitverlauf ändert. Je größer die Breite des Filters ist, desto besser sind die Ergebnisse.

Beispiel

In diesem kleinen Beispiel wurden neben dem Drehmoment M [Nm] und dem dazugehörigen CASMA-Filter auch die Leistung P [W], die Drehzahl n [1/s] und die Beschleunigung a [1/s²] durch das PMX ausgewertet. Dazu wurden die Berechnungskanäle aus dem Screenshot unten angelegt. Die Signale werden in catman dargestellt.

 

Berechnungen

Leistung:

Winkelgeschwindigkeit:

Winkelbeschleunigung:

Wichtig: Für alle Berechnungen muss die Drehzahl n von Umdrehungen pro Minute in Umdrehungen pro Sekunde umgerechnet, also durch 60 geteilt werden.

Kanäle

Auf der nächsten Seite finden Sie alle Kanäle grafisch in catman dargestellt. Die Farben in Klammern beziehen sich auf die Farbe der Kurven. Die Signale setzen sich aus den nachfolgenden Kanälen zusammen:

Drehmoment M (rot):

  • Direkt vom Messkanal der PX460


CASMA-Filter (grün):

  •  Bereits ausführlich erläutert


Leistung P (gelb):

  •    Dividierer (Drehzahl n / 60), Drehzahl pro Sekunde
  •    Konstantes Signal (2*pi)
  •    Multiplizierer (M * n [1/s] * 2*pi]


Drehzahl n (orange):

  •    Direkt vom Messkanal der PX460


Winkelbeschleunigung (blau):

  •  Multiplizierer (2*pi * n [1/s]), ergibt die Winkelgeschwindigkeit w
  •   Differenzierer (w)

Rechtlicher Hinweis

Diese Beispiele dienen lediglich der Veranschaulichung. Sie unterliegen keinen Gewährleistung oder Haftungsansprüchen.

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