DE102004029065A1

DE102004029065A1 - Kurbelwellensynchrone ERfassung analoger Signale

Info

Publication number: DE102004029065A1
Application number: DE102004029065A
Authority: DE
Inventors: Josef Aspelmayr; Diego Löbus; Richard Merl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2004-06-16
Filing date: 2004-06-16
Publication date: 2006-01-26
Also published as: DE502005010077D1; CN1969117B; US7589656B2; CN1969117A; WO2005124134A1; EP1756412A1; ATE477411T1; US20080027619A1; JP2008502839A; EP1756412B1

Abstract

Die Synchronisation der Winkelstellung der Kurbelwelle eines Kraftfahrzeugs mit der internen Uhr eines Motorsteuerungsgeräts (110) ist häufig ungenau und aufwändig und bereitet insbesondere bei der Erfassung und Verarbeitung externer Sensorsignale häufig Schwierigkeiten. Es wird daher ein Motorsteuerungsgerät (110) vorgeschlagen, in welchem zunächst die Winkelstellung einer Kurbelwelle erfasst und in einem Triggerwandler (114) in ein elektronisches Triggersignal (136) umgewandelt wird. Dieses elektronische Triggersignal (136) steuert die Erfassung und Analog-Digital-Wandlung eines analogen Signals, insbesondere eines analogen Sensorsignals. Die Steuerung kann derart erfolgen, dass nur bei Vorliegen eines bestimmten Triggersignals überhaupt Daten erfasst werden oder dass kontinuierlich Daten erfasst werden, diese jedoch nur bei Vorliegen eines bestimmten Triggersignals weiterverarbeitet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufnahme analoger Signale, insbesondere analoger Sensorsignale, welche in Bezug zu einem Winkelsignal, insbesondere dem Winkelsignal einer Kurbelwelle in Verbrennungsmotoren, stehen. Derartige Vorrichtungen und Verfahren dienen vorwiegend zur Aufnahme analoger Messwerte in Motorsteuerungsgeräten (engl. Engine Control Units, ECUs).

Der Betrieb moderner Verbrennungsmotoren in der Automobiltechnik ist ohne den Einsatz von hochleistungsfähigen Computersystemen undenkbar. Insbesondere die zunehmend restriktiven Anforderungen an die Schadstoffemission in Form von entsprechenden gesetzlichen Regelungen machen den Einsatz ausgefeilter Computer- und Regelungstechnik für die präzise Einstellung des Verbrennungsgemischs und des Zündungszeitpunkts erforderlich. Dabei müssen insbesondere zahlreiche Sensorsignale, wie beispielsweise die Signale von Sauerstoff- oder Temperatursensoren in Echtzeit verarbeitet werden.

Diese Aufgaben werden im wesentlichen von dem Motorsteuerungsgerät (ECU), dem leistungsfähigsten Computersystem an Bord eines Kraftfahrzeugs, übernommen. Neben einem oder mehreren Mikroprozessoren (i. d. R. sogenannten "eingebetteten Systemen", engl. Embedded Systems) sind eine Reihe weiterer elektronischer Komponenten, wie beispielsweise Analog-Digital-Wandler (AD-Wandler) oder elektronische Filterbausteine, in das entsprechende Gehäuse eines Motorsteuerungsgeräts integriert. Das Motorsteuerungsgerät berechnet aus den zahlreichen Sensorsignalen (beispielsweise unter Zuhilfenahme von Tabellen, sog. Lookup-Tables) die entsprechenden Regelsignale und Einstellungsparameter, wie beispielsweise den optimalen Zeitpunkt einer Zündung oder die optimale Zeitdauer einer Kraftstoffeinspritzung.

Insbesondere bei der Erfassung analoger Messwerte (beispielsweise der Messwerte von Druck-, Temperatur- oder Sauerstoffsensoren) spielt die zeitliche Synchronisation der Messung eine erhebliche Rolle. Zwar beinhalten auch einfache Computersysteme interne Uhrensysteme (Clock), welche grundsätzlich für die zeitliche Erfassung und Synchronisation der Messwerterfassung genutzt werden können. Allerdings ist dabei zu beachten, dass die Messwerte typischerweise jeweils in Relation zu einem definierten Betriebszustand des Motors erfasst werden müssen. Als Indikator für den Betriebszustand eines Motors hat sich insbesondere die Winkelstellung der Kurbelwelle etabliert.

Je nach Typ des Verbrennungsmotors definiert die Winkelstellung der Kurbelwelle exakt die Stellung der Kolben in jedem einzelnen Zylinder. So umfasst beispielsweise ein kompletter Zyklus eines typischen Vierzylinder-Verbrennungsmotors zwei komplette Umdrehungen der Kurbelwelle, also Winkel von 0° bis 720°. Nach zwei Umdrehungen (720°) hat jeder Zylinder des Motors einmal seinen Zyklus durchfahren. Dabei arbeiten die Zylinder sequenziell, das heißt jeder Zylinder arbeitet nur innerhalb eines bestimmten Abschnitts innerhalb eines kompletten Zyklus. Ein derartiger Zeitabschnitt wird auch als Segment bezeichnet. Jedem Segment entspricht dabei ein Bereich der Winkelstellung der Kurbelwelle, welcher sich aus dem gesamten Winkelbereich (beispielsweise 720°), dividiert durch die Anzahl der Zylinder, ergibt. So umfasst ein Segment eines Vierzylinder-Verbrennungsmotors einen Winkelbereich von 180°. Das erste Segment entspricht also Winkelstellungen von 0° bis 180°, das zweite Winkelstellungen von 180° bis 360° usw.

Die Winkelstellung der Kurbelwelle wird typischerweise mittels einer sogenannten Geberscheibe auf der Kurbelwelle erfasst. Bei dieser Geberscheibe handelt es sich meist um eine metallische Zahnscheibe, deren Drehung üblicherweise mittels eines induktiven Sensors erfasst wird. Typische Geberscheiben für Vierzylindermotoren weisen beispielsweise 60 Zähne auf (bzw. 58 nach Abzug der zwei "Zahnlücken"), was einer Anzahl von 120 Zähnen für einen kompletten Zyklus von 720°, also einem Zahn pro 6° Winkelstellung, entspricht. Dabei verändert sich, sobald sich ein Zahn der Geberscheibe einer Induktionsspule des Sensors nähert, das Magnetfeld in der Spule, wodurch ein Strom in der Spule induziert wird. Die Frequenz dieses zeitlich veränderlichen Stroms ist ein Maß für die Drehzahl der Kurbelwelle. Auch andere Arten von Sensoren, wie beispielsweise optische oder magnetische Sensoren, sind grundsätzlich einsetzbar.

Um aus dem periodischen Signal der Drehzahlmessung auch auf eine absolute Stellung der Kurbelwelle schließen zu können, werden meist Lücken in die Zähne der Geberscheibe eingebaut, wobei die Lücken typischerweise zwei Zähne umfassen. Auf diese Weise lässt sich die Stellung der Kurbelwelle und damit ein wichtiger Parameter des Betriebzustands des Verbrennungsmotors anhand des Signals exakt bestimmen.

Die Winkelstellung der Kurbelwelle bzw. die Drehzahl wird in herkömmlichen Motorsteuerungsgeräten in regelmäßigen Zeitabständen mit der internen Uhr des Motorsteuerungsgeräts synchronisiert. Die Erfassung von Sensorsignalen und die darauf basierende Berechnung bzw. Erzeugung entsprechender Parameter und Regelsignale erfolgt als Funktion der internen Uhr des Motorsteuerungsgeräts.

Diese Berechnungen sind jedoch zeitaufwändig und belasten den Prozessor stark durch Rechenleistung und Speicheraufwand. So muss zunächst bei einer bestimmten Drehzahl des Motors die Winkelstellung der Kurbelwelle erfasst werden und mit der internen Uhr des Motorsteuerungsgeräts synchronisiert werden. Dann werden relativ zur internen Uhr des Motorsteuerungsgeräts Messdaten der verschiedenen Sensoren erfasst.

Diese Messdatenerfassung erfolgt bislang üblicherweise mit einer festen Abtastrate, wobei Abtastraten zwischen 5 und 10 Mikrosekunden typisch sind. So wird beispielsweise alle 10 Mikrosekunden ein neuer analoger Wert eines bestimmten Sensorsignals erfasst. Bei einer Drehzahl von 1000 U/min in einem Vierzylindermotor, d. h. einer Zyklenzeit (Zeit für eine 720°-Drehung) von 120 Millisekunden und somit einer Segmentzeit von 30 Millisekunden, entspricht dies 3000 analogen Messwerten pro Sensor, Zylinder und Segment. Bei niedrigeren Drehzahlen erhöht sich die Anzahl der Messwerte pro Sensor, Zylinder und Segment entsprechend. So werden beispielsweise bei 500 U/min bereits 6000 analoge Messwerte pro Sensor, Zylinder und Segment erfasst. Dies stellt eine enorme Speicherbelastung für das Motorsteuerungsgerät dar.

Zwar besteht grundsätzlich die Möglichkeit, die Abtastrate der Messsignalerfassung der Drehzahl des Motors anzupassen. Die limitierten Möglichkeiten der Konfiguration vorhandener AD-Wandler in eingebetteten Mikrocontrollern schränken diese Möglichkeiten jedoch stark ein.

Aus diesen Messdaten werden dann optimale Regelsignale berechnet, welche jedoch beispielsweise wiederum in genau bestimmten (beispielsweise durch das Motorsteuerungsgerät berechneten) Winkelstellungen der Kurbelwelle ausgegeben werden müssen. Zu diesem Zweck müssen also die optimalen Zeitpunkte in der Zeitbasis des Motorsteuerungsgeräts berechnet werden und diese dann wiederum in entsprechende Winkelstellungen umgerechnet werden. Diese aufwändige Berechnung und Erzeugung von Regelsignalen belastet den Mikroprozessor der ECU, welcher typischerweise lediglich eine Taktfrequenz von 40 MHz und eine Speicherkapazität von 256 Kilobyte aufweist, extrem.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mittels derer die Erfassung und Verarbeitung analoger Messdaten in Motorsteuerungsgeräten verbessert wird.

Diese Aufgabe wird durch die Erfindung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Es wird ein Motorsteuerungsgerät vorgeschlagen, welches Mittel zum Erfassen einer Winkelstellung einer Kurbelwelle aufweist, sowie Mittel zum Umwandeln der Winkelstellung der Kurbelwelle in ein elektronisches Triggersignal. Weiterhin soll das Motorsteuerungsgerät Mittel zum Erfassen mindestens eines analogen Signals, insbesondere eines analogen Sensorsignals, aufweisen, darunter mindestens einen Signaleingang für analoge Signale, mindestens einen Analog-Digital-Wandler zur Umwandlung des mindestens einen analogen Signals in mindestens ein digitales Signal und mindestens eine Steuereinrichtung. Diese Steuereinrichtung soll, abhängig von dem elektronischen Triggersignal, das Erfassen des mindestens einen analogen Signals ein- bzw. ausschalten und/oder starten bzw. beenden können.

Der Begriff "Erfassen" ist dabei weit auszulegen. Dabei kann es sich beispielsweise um Messen, Zwischenspeichern (Sampeln), Analog-Digital-Wandeln, abspeichern oder eine Kombination dieser Vorgänge (evtl. mit weiteren Modifikationen der Signale) handeln. Alternativ kann auch eine permanente Analog-Digital-Wandlung erfolgen, wobei nur die Abspeicherung der gewandelten Daten als "Erfassen" verstanden wird. Unter "Mitteln zum Erfassen" kann dementsprechend beispielsweise ein entsprechender Sensor, ein Analog-Digital-Wandler, eine entsprechende Signalwandlung oder Zwischenspeicherung oder auch nur ein Teil dieser Vorrichtungen zu verstehen sein.

Bei der Steuereinrichtung kann es sich beispielsweise um einen Triggereingang handeln, welcher insbesondere mit Mitteln zum Erzeugen eines Triggersignals, z. B. einem Triggerwandler, zusammenwirken kann.

Unter einem Motorsteuerungsgerät ist ein System zur Steuerung eines Verbrennungsmotors zu verstehen. Dabei muss es sich nicht notwendigerweise um eine physikalische und/oder elektronische Einheit handeln, sondern es kann sich insbesondere auch um eine Verknüpfung zusammenwirkender, jedoch räumlich voneinander getrennter Komponenten handeln. Insbesondere die Mittel zum Umwandeln der Winkelstellung der Kurbelwelle in ein elektronisches Triggersignal sowie die Mittel zum Erfassen des mindestens einen analogen Signals können ganz oder teilweise in einem integrierten elektronischen Schaltkreis, insbesondere einen sogenannten anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) integriert sein.

Bei dem digitalen elektronischen Triggersignal kann es sich insbesondere um ein periodisches, beispielsweise rechteckförmiges, Signal handeln, beispielsweise ein TTL-Signal. So kann insbesondere eine Periode dieses Signals einer Periode auf der Geberscheibe, also dem Abstand zwischen zwei Zähnen auf der Geberscheibe (siehe oben) bzw. der daraus resultierenden Winkeldrehung der Kurbelwelle entsprechen. In dem oben beschriebenen Beispiel des Vierzylindermotors mit einer Geberscheibe von 60 Zähnen entspricht also eine Periode einer Winkeldrehung der Kurbelwelle von 6°.

Da, wie oben beschrieben, in der Regel auf der Geberscheibe einer oder mehrere Zähne fehlen, kann aus den entsprechenden Lücken im Triggersignal auch auf eine absolute Winkelstellung der Kurbelwelle geschlossen werden.

Das Triggersignal kann zusätzlich entsprechend modifiziert werden. Als besonders vorteilhaft hat sich dabei eine Anpassung des Signalpegels, eine Frequenzfilterung, eine Frequenzvervielfachung und/oder eine Phasenverschiebung erwiesen. Eine Frequenzfilterung kann beispielsweise erforderlich sein, um höherfrequente oder niederfrequente Störsignale (Vibrationen, Oberschwingungen etc.) zu eliminieren. Unter einer Frequenzvervielfachung ist eine Modifikation eines periodischen Signals dahingehend zu verstehen, dass die Frequenz des Signals mit einem Multiplikator (wobei es sich typischerweise um eine rationale, insbesondere eine natürliche Zahl zwischen 0 und 1 oder größer als 1 handelt) multipliziert wird.

Auch die Umwandlung des Triggersignals in ein neues Triggersignal mittels einer vorgegebenen Funktion ist denkbar. So kann beispielsweise aus dem ursprünglichen Triggersignal mittels einer Zählvorrichtung eine vorgegebene (beispielsweise eine durch ein Computerprogramm vorgegebene) Anzahl Perioden ausgewählt werden, während derer das neue Triggersignal den Wert "high" annimmt. Auf diese Weise kann ein Triggersignal generiert werden, welches nur in ganz bestimmten Winkelstellungen der Kurbelwelle den Wert "high" annimmt. Oder es kann ab einer bestimmten Winkelstellung für eine fest vorgegebene Zeitdauer das Signal "high" ausgegeben werden.

Insbesondere kann die Modifizierung des Triggersignals der Drehzahl der Kurbelwelle angepasst werden. So kann beispielsweise eine Frequenzvervielfachung eines mit einer Frequenz F periodischen Triggersignals derart erfolgen, dass das die Frequenz F des neuen Triggersignals weniger als proportional mit der Drehzahl D steigt. Mit anderen Worten, der Quotient aus Frequenz F und Drehzahl D sinkt mit steigender Drehzahl. Dieses Sinken muss nicht kontinuierlich erfolgen, sondern kann beispielsweise auch in diskreten Stufen erfolgen. Wenn mit diesem neuen Triggersignal die Erfassung analoger Messdaten gesteuert wird (siehe unten), so kann diese gezielte Anpassung der Frequenzvervielfachung dazu genutzt werden, dass über den gesamten Drehzahlbereich eine konstante Belastung der Speicher- und/oder Rechenkapazität des Motorsteuerungsgeräts pro Zeiteinheit erfolgt. Die Anpassung des Triggersignals an die Drehzahl kann im laufenden Betrieb des Motorsteuerungsgerätes erfolgen.

Die Umwandlung der Winkelstellung der Kurbelwelle in ein entsprechendes Triggersignal nach einem der beschriebenen Ver fahren kann insbesondere auch rein hardwarebasiert, das heißt ohne Verwendung von Rechenalgorithmen in separaten elektronischen Bausteinen erfolgen. Der Einsatz eines Mikroprozessors bzw. eine zusätzliche Belastung der Prozessorkapazität eines vorhandenen Prozessors (siehe unten) durch die Bildung des Triggersignals wird dadurch vermieden.

Bei dem mindestens einen analogen Signal kann es sich insbesondere um ein analoges Signal eines Sensors, beispielsweise eines Sauerstoff-, Temperatur- oder Drucksensors handeln, auch die Erfassung mehrerer analoger Signale, insbesondere der Signale mehrerer Sensoren, ist möglich. In diesem Fall bietet sich insbesondere die Verwendung eines oder mehrerer Schalter an, welche die Erfassung zwischen den einzelnen analogen Signalen umschalten können. Auf diese Weise können nacheinander oder alternativ oder parallel die Signale mehrerer Sensoren erfasst werden. Das Umschalten zwischen der Erfassung der einzelnen Signale kann insbesondere durch einen Mikrocomputer gesteuert werden, so dass zu vorgegebenen Zeitpunkten jeweils die analogen Signale vorgegebener Sensoren erfasst werden. Insbesondere kann die Umschaltung auch durch das elektronische Triggersignal (welches sinngemäß auch aus mehreren korrelierten Einzelsignalen bestehen kann) gesteuert werden.

Neben dem Analog-Digital-Wandler können die Mittel zum Erfassen des mindestens einen analogen Signals weiterhin auch eine Vorrichtung zur Datenverarbeitung (insbesondere einen Mikroprozessor) sowie Mittel zur Anpassung bzw. Veränderung der analogen Signale, insbesondere Mittel zur Frequenzfilterung, aufweisen. So kann es sich bei dem Mikrocomputer beispielsweise um die Recheneinheit (beispielsweise eine CPU mitsamt eines Speichers) eines kommerziellen integrierten Schaltkreises zur Motorsteuerung handeln.

Bei der Steuerungseinrichtung kann es sich insbesondere um einen Triggereingang des Analog-Digital-Konverters oder auch um einen Triggereingang der Vorrichtung zur Datenverarbeitung handeln. Dieser Triggereingang ist mit den Mitteln zur Umwandlung der Winkelstellung der Kurbelwelle in ein elektronisches Triggersignal verbunden. Dabei muss es sich nicht notwendigerweise um eine physikalische elektronische Verbindung handeln, sondern auch beispielsweise eine drahtlose Verbindung (z. B. infrarote Datenübertragung) ist denkbar. Auf diese Weise wird das oben beschriebene, aus der Winkelstellung der Kurbelwelle erzeugte Triggersignal oder ein daraus abgeleitetes Triggersignal für die Steuerung der Erfassung der analogen Signale verwendet.

Die digitalisierten Signale können dann mittels der Vorrichtung zur Datenverarbeitung weiterverarbeitet werden. So können beispielsweise aus einer Vielzahl von Sensorsignalen unter Zuhilfenahme abgespeicherter Funktionen und Parameter entsprechende Regelsignale für die Motorsteuerung generiert und ausgegeben werden.

Das beschriebene Motorsteuerungsgerät mit der kurbelwellensynchron getriggerten Datenaufnahme hat gegenüber den herkömmlichen, oben beschriebenen Motorsteuerungsgeräten mit konstanter bzw. vorgegebener Abtastrate den entscheidenden Vorteil, dass die Erfassung des mindestens einen analogen Signals nicht zu fest vorgegebenen Zeiten mit fest vorgegebenen Wiederholungsraten (Abtastraten) erfolgt. Eine zu starke Belastung der Rechen- und Speicherkapazität des Motorsteuerungsgeräts insbesondere bei niedrigen Drehzahlen wird dadurch verhindert. Die Erfassung der analogen Signale erfolgt vielmehr in Abhängigkeit von der tatsächlichen Winkelstellung der Kurbelwelle und somit des tatsächlichen Betriebszustandes des Verbrennungsmotors. So können beispielsweise bestimmte Sensorsignale (beispielsweise das Signal eines Drucksensors in Zylinder 2 eines Vierzylindermotors) nur zu den tatsächlich interessanten Zeiten (also beispielsweise nur im Segment 2, in dem der 2. Zylinder arbeitet, also z. B. im Winkelbereich der Kurbelwelle zwischen 180° und 360°) erfasst werden.

Uninteressante Daten, also analoge Signale in Winkelstellungen der Kurbelwelle, die bzgl. beispielsweise eines bestimmten Sensors uninteressant sind, werden also von vorneherein gar nicht erst erfasst, wodurch die Speicher- und Prozessorbelastung stark reduziert wird.

Eine prozessorkapazitäts- und speicheraufwändige Umrechnung der Winkelstellung der Kurbelwelle bzw. der Drehzahl in ein internes Zeitsystem des Motorsteuerungsgeräts kann entfallen. Für die Erzeugung der Triggersignale ist lediglich Hardware erforderlich, kein Software-Aufwand. Der Prozessor wird also entlastet. Auch eine konstant hohe Belastung bei niedrigen Drehzahlen findet nicht statt.

Auch die Genauigkeit des Systems wird durch die kurbelwellensynchrone Messdatenerfassung erheblich erhöht. Die Erfassung der Messdaten kann zu fest vorgegebenen Winkelstellungen erfolgen, was erheblich präziser ist als eine zeitgesteuerte Erfassung mit ggf. erforderlicher, anschließender Interpolation.

Um zu verhindern, dass die beschriebenen Vorteile ins Gegenteil (nämlich in eine zu starke Belastung des Motorsteuerungsgeräts bei hohen Drehzahlen) umschlagen, kann zusätzlich, wie oben beschrieben, eine Anpassung der Abtastrate bzw. eine Verringerung der Messdaten mit steigender Drehzahl durch entsprechende Anpassung des Triggersignals an die Drehzahl erfolgen. Auf diese Weise kann eine gleichmäßige Datenmenge und Prozessorbelastung über den gesamten Drehzahlbereich erreicht werden.

Um den Speicher und den Prozessor der Vorrichtung zur Datenverarbeitung weiter zu entlasten, kann auch bereits im Analog-Digital-Wandler, welcher die analogen Signale beispielsweise eines oder mehrerer Sensoren in digitale Signale umwandelt, eine Vorverarbeitung der Rohdaten stattfinden. Eine derartige Vorverarbeitung kann insbesondere eine Frequenzfil terung und/oder eine statistische Analyse der analogen oder bereits digitalisierten Daten beinhalten. So kann beispielsweise bereits eine Mittelwertbildung der Daten über einen bestimmten Zeitraum oder über eine bestimmte Anzahl von Messwerten erfolgen. Durch diese Vorverarbeitung wird die Datenmenge, welche beispielsweise von dem Analog-Digital-Wandler an den Mikroprozessor übermittelt wird, erheblich reduziert.

Auch bei der Vorverarbeitung der erfassten Daten stellt die kurbelwellensynchrone Triggerung der Erfassung der analogen Daten nach einer der oben beschriebenen Methoden wieder einen essenziellen Vorteil dar. Da das Triggersignal, mittels dessen die Aufnahme der analogen Daten getriggert wird, Informationen über die Winkelstellung und die Drehzahl der Kurbelwelle enthält, kann beispielsweise das analoge oder digitale Signal direkt über einen bestimmten Winkelbereich der Kurbelwelle gemittelt werden. Eine Umrechnung der Winkelstellungen in zeitliche Signale ist nicht mehr erforderlich.

Auch eine drehzahlabhängige Vorverarbeitung der Daten ist denkbar, beispielsweise indem der Zeit- oder Winkelstellungsbereich, über welchen ein analoges oder digitales Signal gemittelt wird, in Abhängigkeit von der Drehzahl verschoben wird. So kann beispielsweise der Zeitpunkt der Zündung stark von der Drehzahl abhängig sein. Dabei kann es von Interesse sein, beispielsweise den Druck in einem bestimmten Zylinder jeweils in einem bestimmten Winkelbereich relativ zum Zündungszeitpunkt gemittelt zu erfassen. Mittels der kurbelwellensynchronen Triggerung der Signalerfassung ist dies wiederum ohne Einsatz von Rechenkapazität des Mikroprozessors und ohne Umrechnung des Triggersignals in ein Zeitsignal problemlos möglich.

Bei der Vorverarbeitung der erfassten Signale kann auch beispielsweise eine Anpassung einer vorgegebenen Näherungsfunktion an die erfassten Daten erfolgen. Entsprechend werden dann beispielsweise anstelle der Daten lediglich die Nähe rungsfunktion bzw. die die Näherungsfunktion charakterisierenden Parameter vom Analog-Digital-Wandler an die Vorrichtung zur Datenverarbeitung weitergeleitet. Auch dabei kann die Information über die Winkelstellung bzw. die Drehzahl der Kurbelwelle eine Rolle spielen, beispielsweise als einer der Parameter der Näherungsfunktion. Auch diese Art der Vorverarbeitung der Signale trägt erheblich zur Reduktion der benötigten Prozessor- und Speicherkapazität bei.

Ein weiterer Vorteil des beschriebenen Motorsteuerungsgeräts ist die Tatsache, dass die Vorrichtung mit existierenden Mikroprozessoren und Elektronikkomponenten realisiert werden kann. Sowohl Mikroprozessoren mit Triggereingang für Motorsteuerungsgeräte als auch Analog-Digital-Wandler mit Triggereingang sind kommerziell erhältlich. Eine teure und aufwändige Neuentwicklung derartiger Komponenten ist nicht erforderlich.

Es wird weiterhin ein Verfahren zur kurbelwellensynchronen Erfassung analoger Signale, insbesondere analoger Sensorsignale, vorgeschlagen, bei dem zunächst die Winkelstellung einer Kurbelwelle erfasst wird. Die erfasste Winkelstellung der Kurbelwelle wird in mindestens ein elektronisches Triggersignal umgewandelt. Weiterhin wird mindestens ein analoges Signal, insbesondere ein analoges Sensorsignal, erfasst. Dabei wird das mindestens eine analoge Signal in mindestens ein digitales Signal umgewandelt. Die Erfassung und/oder die Analog-Digital-Wandlung des mindestens einen analogen Signals wird mittels des Triggersignals gesteuert.

Vorteilhafter Weise erfolgt die Steuerung der Erfassung und/oder Analog-Digital-Wandlung des mindestens einen analogen Signals unter Verwendung eines der folgenden Prinzipien oder einer Kombination dieser Prinzipien:

– Die Erfassung und/oder die Analog-Digital-Wandlung wird dadurch ausgelöst, dass das Triggersignal einen vorgegebenen Pegel erreicht, überschreitet oder unterschreitet.
– Die Erfassung und/oder die Analog-Digital-Wandlung wird ermöglicht, solange das Triggersignal einen vorgegebenen Signalpegel mindestens erreicht und/oder überschreitet, wobei anderenfalls die Erfassung und/oder Analog-Digital-Wandlung verhindert wird.
– Die Erfassung und/oder die Analog-Digital-Wandlung wird ermöglicht, solange das Triggersignal einen vorgegebenen Signalpegel unterschreitet und/oder nicht überschreitet, wobei anderenfalls die Erfassung und/oder Analog-Digital-Wandlung verhindert wird.
– Die Erfassung und/oder die Analog-Digital-Wandlung wird bei einem periodischen Triggersignal während einer vorgegebenen Anzahl Perioden ermöglicht und andernfalls verhindert.
– Die Erfassung und/oder die Analog-Digital-Wandlung wird ab einem vorgegebenen Triggersignal, insbesondere ab einem Zeitpunkt, in dem das Triggersignal einen vorgegebenen Pegel erreicht, überschreitet oder unterschreitet, während einer fest vorgegebenen Zeitdauer ermöglicht und andernfalls verhindert.

Weiterhin kann zusätzlich der Pegel des mindestens einen analogen Signals verändert werden und/oder eine Frequenzfilterung des mindestens einen analogen Signals durchgeführt werden. Weiterhin kann aus dem mindestens einen digitalen Signal mittels eines Datenverarbeitungsalgorithmus mindestens ein Regelsignal zur Regelung eines Verbrennungsmotors berechnet werden.

Vorteilhafter Weise kann das mindestens eine elektronische Triggersignal mit einem vorgegebenen Multiplikator frequenzvervielfacht werden und/oder um eine vorgegebene Phase phasenverschoben werden und/oder aus dem mindestens einen elektronischen Triggersignal mindestens ein zweites elektronisches Triggersignal erzeugt werden, wobei das zweite elektronische Triggersignal eine Funktion mit veränderbaren Parametern des ersten elektronischen Triggersignals ist.

Insbesondere kann die Erzeugung des mindestens einen elektronischen Triggersignals abhängig sein von der Drehzahl der Kurbelwelle. Vorteilhafter Weise wird dabei, sofern das elektronische Triggersignal periodisch mit einer Frequenz F ist oder annähernd periodisch ist oder innerhalb eines betrachteten Zeitraums zumindest annähernd periodisch ist, dessen Frequenz F mit steigender Drehzahl derart vervielfacht, dass das Verhältnis zwischen der Frequenz F und der Drehzahl D sich mit steigender Drehzahl D verringert.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Figuren schematisch dargestellt sind. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Beispiele beschränkt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente. Im Einzelnen zeigt:
1 eine erste Ausführungsform eines Motorsteuerungsgeräts mit kurbelwellensynchron getriggertem Mikrocomputer zur Messdatenerfassung;
2 einen Verlauf eines Kurbelwellensignals;
3 einen Verlauf eines Triggersignals;
4 einen Ablaufplan eines ersten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur kurbelwellensynchronen Messdatenerfassung;
5 einen Ablaufplan eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur kurbelwellensynchronen Messdatenerfassung; und
6 eine zweite Ausführungsform eines Motorsteuerungsgeräts mit kurbelwellensynchron getriggertem externen AD-Wandler zur Messdatenerfassung.
Kernelement des Motorsteuerungsgeräts 110 in 1 ist ein integrierter Schaltkreis (ASIC) 112, welcher einen Triggerwandler 114 und einen schnellen AD-Wandler (englisch Fast AD-Converter, FADC) 116 umfasst. Im dargestellten Beispiel handelt es sich bei dem ASIC 112 um einen Controller der TC17xx-Familie des Herstellers Infineon. Ein Signalausgang 118 des Triggerwandlers 114 ist mit einem Triggereingang 120 des FADCs 116 verbunden.
Ein Kurbelwellensensor 122 ist über einen Kurbelwellen-AD-Wandler 124 mit einem Signaleingang 126 des Triggerwandlers 114 verbunden. Ein Temperatursensor 128 ist über eine Filter-Verstärker-Einheit 130 mit einem Signaleingang 132 des FADCs 116 verbunden.
Zur Erläuterung des Zusammenwirkens der einzelnen Bauelemente des Motorsteuerungsgeräts 110 in 1 ist das zwischen dem Kurbelwellen-AD-Wandler 124 und dem Triggerwandler 112 ausgetauschte Kurbelwellensignal 134 in 2 dargestellt. Entsprechend ist das zwischen dem Triggerwandler 112 und dem FADC 116 ausgetauschte Triggersignal 136 in 3 dargestellt.
Zunächst erfasst, wie oben beschrieben, der Kurbelwellensensor 122 ein Signal der Kurbelwelle, wobei es sich in diesem Beispiel um ein (nicht dargestelltes) analoges Sinussignal eines Magnetsensors handelt, welches die Position der Zähne der oben beschriebenen Zahnscheibe erfasst. Dieses analoge Sinussignal wird im Kurbelwellen-AD-Wandler 124 in das in 2 dargestellte Kurbelwellensignal 134 umgewandelt. Dabei handelt es sich um ein Rechtecksignal, welches jeweils für eine Zeitdauer t1 bis t2 auf dem Level "Low" (hier die Nulllinie) liegt, und anschließend für eine Zeitdauer von t2 bis t3 auf dem TTL-Level "High" (5 Volt). Das Signal hat also eine Periode t3 – t1 und eine Frequenz von 1/(t3-tl).
Das Kurbelwellensignal 134 wird im Triggerwandler 114 in diesem einfachen Beispiel frequenzvervielfacht um einen Faktor neun. Dementsprechend erzeugt der Triggerwandler 114 aus dem Kurbelwellensignal 134 als Triggersignal 136 ein Rechtecksignal mit der Frequenz 9 × 1/(t3 – t1). Die Signallevel werden in diesem Beispiel unverändert belassen. Der Triggerwandler 114 startet die Umwandlung jeweils zum Zeitpunkt t1, also mit fallender Flanke des Kurbelwellensignals 134 und generiert eine steigende Flanke des Triggersignals 136. Dementsprechend ist das Triggersignal 136 im Vergleich zum Kurbelwellensignal 134 um 180° phasenverschoben.
Dieses Triggersignal 136 wird über den Signaleingang 120 an den FADC 116 weitergeleitet. Der Triggereingang 120 ist derart ausgestaltet, dass der FADC 116 nur Signale an seinem Signaleingang 132 akzeptiert, wenn das Triggersignal 136 einen vorgegebenen Pegel überschreitet. In der übrigen Zeit "ignoriert" der FADC 116 Signale an seinem Signaleingang 132.
Mittels des in 1 beschriebenen Aufbaus lässt sich beispielsweise das in 4 dargestellte Verfahren durchführen. Zunächst wird dabei in Schritt 410, wie oben beschrieben, das Signal der Kurbelwelle erfasst, im Kurbelwellen-AD-Wandler 124 digitalisiert und anschließend in Schritt 412 im Triggerwandler 112 in das Triggersignal 136 umgewandelt. Dieses wird dann in Schritt 414 an einen Analog-Digital-Wandler, hier speziell den FADC 116, weitergeleitet. Der FADC 116 fragt in Schritt 416 ab, ob das Triggersignal einen vorgegebenen Wert überschreitet. Diese Abfrage kann in einer permanenten Schleife erfolgen. Nur wenn dies der Fall ist, wird in Schritt 418 ein analoges Signal, welches im in 1 dargestellten Beispiel von der Filter-Verstärker-Einheit 130 an den FADC 116 weitergeleitet wird, erfasst und in Schritt 420 in ein digitales Signal umgewandelt. Auch eine vollständige oder teilweise Vorverarbeitung des Signals (siehe oben) kann in diesem Schritt bereits erfolgen. Dieses digitale Signal wiederum wird dann in Schritt 422 zur weiteren Verarbeitung an einen (in 1 nicht dargestellten) Mikroprozessor weitergeleitet, welcher aus diesem Signal entsprechend seiner programmierten Algorithmen beispielsweise Regelsignale zur Motorsteuerung erzeugen kann.
In 5 ist ein analoges Verfahren dargestellt, bei dem das Triggersignal 136 nicht zur Triggerung eines AD-Wandlers, sondern zur Triggerung der Datenaufnahme durch einen Mikroprozessor verwendet wird. Dieser Mikroprozessor, welcher Bestandteil praktisch jedes Motorsteuerungsgeräts ist, ist in 1 nicht dargestellt. Er kann einen weiteren Bestandteil des ASICS 112 darstellen.
Analog zu 4 wird zunächst in Schritt 510 die Winkelstellung der Kurbelwelle erfasst und in Schritt 512 in ein Triggersignal umgewandelt.
Dieses Triggersignal wird dann in Schritt 514 nicht direkt an einen AD-Wandler, sondern an einen Mikroprozessor weitergeleitet. Dieser fragt in Schritt 516 das Triggersignal ab und nimmt keine Daten vom AD-Wandler an, solange das einen vorgegebenen Pegel nicht überschreitet (Schritt 518). Unabhängig davon erfasst ein AD-Wandler in Schritt 520 kontinuierlich analoge Messdaten eines oder mehrerer Sensoren, nimmt evtl. eine Vorverarbeitung vor, wandelt die analogen Signale in digitale Signale um und stellt die umgewandelten Signale dem Mikroprozessor zur Verfügung. Jedoch erst, wenn die Abfrage in Schritt 516 ein ausreichendes Triggerlevel feststellt, nimmt der Mikroprozessor diese Daten in Schritt 522 entgegen und verarbeitet diese in Schritt 524 weiter.
In 6 ist ein zu 1 alternativer Aufbau eines Motorsteuerungsgeräts 110 dargestellt, bei dem das kurbelwellensynchrone Triggersignal 136 nicht zur Triggerung eines internen FADCs 116 verwendet wird, sondern zur Triggerung eines externen AD-Wandlers 610. Der wesentliche Unterschied des Aufbaus in 6 besteht darin, dass der Signalausgang 118 des Triggerwandlers 114 mit einem Triggereingang 612 des externen AD-Wandlers 610 verbunden ist. Dieser wiederum ist über eine Schnittstelle 614 mit einem in den ASIC 112 integrierten Mikroprozessor 616 verbunden.
Die Funktionsweise des in 6 dargestellten Aufbaus entspricht dem Aufbau in 1. Die AD-Wandlung des analogen, vom Sensor 128 generierten Signals erfolgt jedoch nicht im ASIC 112, sondern durch die externe elektronische Komponente 610. Auch eine Vorverarbeitung der analogen oder bereits digitalisierten Daten kann im externen AD-Wandler 610 erfolgen, so dass die über die Schnittstelle 614 an den Mikroprozessor 616 übermittelten Daten bereits auf ein absolutes Minimum reduziert sein können. Dadurch wird der Mikroprozessor 610 weiter entlastet. Da der externe AD-Wandler 610 leicht zugänglich ist, kann dieser auch auf einfache Weise ersetzt werden und beispielsweise bei Verfügbarkeit modernerer Komponenten ausgetauscht werden.
Das in 4 dargestellte und oben beschriebene Verfahren kann auf die in 6 dargestellte Anordnung übertragen werden. Die Weiterleitung des Triggersignals 136 an einen AD-Wandler in Schritt 414 erfolgt in diesem Fall über eine externe Leitungsverbindung.

Claims

Motorsteuerungsgerät (110) mit a) Mitteln (122, 124) zum Erfassen einer Winkelstellung einer Kurbelwelle; b) Mitteln (114) zum Umwandeln der Winkelstellung der Kurbelwelle in ein elektronisches Triggersignal (136); und c) Mitteln zum Erfassen mindestens eines analogen Signals (116, 128, 130; 610), insbesondere eines analogen Sensorsignals, mit c1) mindestens einem Signaleingang (132) für analoge Signale; c2) mindestens einem Analog-Digital-Wandler (116; 610) zur Umwandlung des mindestens einen analogen Signals in mindestens ein digitales Signal; und c3) mindestens einer Steuereinrichtung (120; 612), – wobei die Steuerungseinrichtung abhängig von dem elektronischen Triggersignal (136) das Erfassen des mindestens einen analogen Signals ein- bzw. ausschaltet und/oder startet bzw. beendet.
Motorsteuerungsgerät (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, des dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erfassen mindestens eines analogen Signals (116, 128, 130; 610) weiterhin mindestens eine der folgenden Komponenten aufweisen: c4) eine Vorrichtung zur Datenverarbeitung, insbesondere einen Mikroprozessor (616); und/oder c5) Mittel zur Anpassung bzw. Veränderung des Signalpegels des mindestens einen analogen Signals (130; 610); und/oder c6) Mittel zur Frequenzfilterung des mindestens einen analogen Signals (130; 610).
Motorsteuerungsgerät (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (114, 120; 612) einen mit der Vorrichtung zur Datenverarbeitung (616) verbundenen Triggereingang aufweist.
Motorsteuerungsgerät (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Analog-Digital-Wandler (116; 610) mindestens eines der folgenden Mittel zur Vorverarbeitung der digitalen Signale aufweist: c21) Mittel zur statistischen Analyse der digitalen Signale; und/oder c22) Mittel zum Bilden eines zeitlichen Mittelwerts; und/oder c23) Mittel zum Anpassen und zur Verfügung stellen einer analytischen Näherungsfunktion an die digitalen Signale.
Motorsteuerungsgerät (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (114) zum Umwandeln der Winkelstellung der Kurbelwelle in ein elektronisches Triggersignal (136) eine oder mehrere der folgenden Komponenten aufweisen: b1) Mittel zur Anpassung bzw. Veränderung eines Signalpegels; und/oder b2) Mittel zur Frequenzvervielfachung und/oder Phasenverschiebung eines periodischen Signals; und/oder b3) Mittel zur Frequenzfilterung eines periodischen Signals; und/oder b4) eine Zählvorrichtung zum Zählen von Perioden oder Teilperioden eines periodischen Signals; und/oder b5) Mittel zur Auswahl vorgegebener Perioden eines periodischen Signals.
Motorsteuerungsgerät (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (114, 120; 612) einen mit dem Analog-Digitalwandler (116; 610) verbundenen Triggereingang (120; 612) aufweist.
Motorsteuerungsgerät (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die folgenden Komponenten ganz oder teilweise in einen integrierten elektronischen Schaltkreis (ASIC) (112) integriert sind: – die Mittel zum Umwandeln der Winkelstellung der Kurbelwelle in ein elektronisches Triggersignal (112); und – die Mittel zum Erfassen des mindestens einen analogen Signals (116).
Verfahren zur kurbelwellensynchronen Erfassung analoger Signale, insbesondere analoger Sensorsignale, mit folgenden Schritten: a) die Winkelstellung einer Kurbelwelle wird erfasst; b) die erfasste Winkelstellung der Kurbelwelle wird in mindestens ein elektronisches Triggersignal (136) umgewandelt; c) mindestens ein analoges Signal, insbesondere ein analoges Sensorsignal, wird erfasst, wobei c1) das mindestens eine analoge Signal in mindestens ein digitales Signal umgewandelt wird; und c2) wobei die Erfassung und/oder die Analog-Digital-Wandlung des mindestens einen analogen Signals mittels des in Schritt b) erzeugten Triggersignals (136) gesteuert wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass Verfahrensschritt c2) einen oder mehrere der folgenden Teilschritte aufweist: c21) die Erfassung und/oder die Analog-Digital-Wandlung wird dadurch ausgelöst, dass das Triggersignal (136) einen vorgegebenen Pegel erreicht, überschreitet oder unterschreitet; und/oder c22) die Erfassung und/oder die Analog-Digital-Wandlung wird ermöglicht, solange das Triggersignal (136) einen vorgegebenen Signalpegel mindestens erreicht und/oder überschreitet, wobei anderenfalls die Erfassung und/oder Analog-Digital-Wandlung verhindert wird; und/oder c23) die Erfassung und/oder die Analog-Digital-Wandlung wird ermöglicht, solange das Triggersignal (136) einen vorgegebenen Signalpegel unterschreitet und/oder nicht überschreitet, wobei anderenfalls die Erfassung und/oder Analog-Digital-Wandlung verhindert wird; und/oder c24) die Erfassung und/oder die Analog-Digital-Wandlung wird bei einem periodischen Triggersignal (136) während einer vorgegebenen Anzahl Perioden ermöglicht und andernfalls verhindert; und/oder c25) die Erfassung und/oder die Analog-Digital-Wandlung wird ab einem vorgegebenen Triggersignal (136), insbesondere ab einem Zeitpunkt, in dem das Triggersignal (136) einen vorgegebenen Pegel erreicht, überschreitet oder unterschreitet, während einer fest vorgegebenen Zeitdauer ermöglicht und andernfalls verhindert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Verfahrensschritt c) weiterhin einen oder mehrere der folgenden Teilschritte aufweist: c3) der Pegel des mindestens einen analogen Signals wird verändert; und/oder c4) es wird eine Frequenzfilterung des mindestens einen analogen Signals durchgeführt; und/oder c5) aus dem mindestens einen digitalen Signal wird mittels eines Datenverarbeitungsalgorithmus mindestens ein Regelsignal zur Regelung eines Verbrennungsmotors berechnet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Verfahrensschritt b) weiterhin einen oder mehrere der folgenden Teilschritte aufweist: b1) das mindestens eine elektronische Triggersignal (136) wird mit einem vorgegebenen Multiplikator frequenzvervielfacht; und/oder b2) das mindestens eine elektronische Triggersignal (136) wird um eine vorgegebene Phase phasenverschoben; und/oder b3) aus dem mindestens einen elektronischen Triggersignal (134) wird mindestens ein zweites elektronisches Triggersignal (136) erzeugt, wobei das zweite elektronische Triggersignal (136) eine Funktion mit veränderbaren Parametern des ersten elektronischen Triggersignals (134) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung des mindestens einen elektronischen Triggersignals (136) in Schritt b) abhängig ist von der Drehzahl der Kurbelwelle.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Triggersignal (136) mit einer Frequenz F periodisch ist, wobei das Verhältnis zwischen der Frequenz F und der Drehzahl D mit steigender Drehzahl D verringert wird.