CN105571778A - 用于修正循环信号中的偏置漂移的算法 - Google Patents
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Abstract
本发明的一个方面涉及用于修正循环信号中的偏置漂移的算法。其提供一种用于修正在循环传感中所使用的传感器的偏置漂移的方法。所述方法包括：识别传感器的传感循环之间的信号的参数的目标值；确认信号的测量值和目标值之间的差值；确认传感循环之间的持续时间；使用差值和持续时间，计算从测量值得到目标值的步长数；以及通过所述步长数调整测量值，从而基本上与目标值一致。公开了一种压力传感器。
Description
技术领域
本发明涉及一种循环输入信号的补偿算法。在进一步的方面中，本发明涉及一种用于补偿循环输入信号的装置。本发明具有发动机控制方面的特别应用，以补偿传感器的行为变化，诸如由于例如环境温度变化，所述传感器的操作期间的偏置和敏感性。
背景技术
压力传感器被广泛用在燃烧系统中。考虑到压力传感器常常用于恶劣环境中，因此常常需要将操作条件考虑在内的数据修正技术。
压力传感器表现出偏置电压，其是当没有施加压力时传感器的输出电压。输出电压将随温度而变化(也就是说，具有一定“偏置电压-温度特性”)。偏置电压-温度特性定义了随着传感器的环境温度改变，偏置电压的变化。
出于若干原因，像CO2或者减排，现代发动机可以使用闭环燃烧。气缸内的压力给出了关于燃烧的定时、清洁度以及效率的信息。通过了解气缸压力，可以测量和控制NOx和颗粒排放、放热和转矩。很容易确定燃烧开始和其它这样的参数。众所周知的燃烧参数示例为放热点以及平均指示有效压力(IMEP)值。
题为“CompensationArrangementandMethodforOperationthereof”的美国专利No.7,913,536中提供了一种用于为操作期间出现的变化补偿压力传感器的输出的方法，将其全部内容并入本文。尽管所提供的技术对现有技术提供了改进，有利的是考虑来自压力传感器的信号中的漂移，其中循环以更快的方式发生。
所需要的是改进压力传感器偏置漂移的修正的方法和装置。
发明内容
在一个实施例中，提供了一种用于修正在循环传感中所使用的传感器的偏置漂移的方法。该方法包括：识别传感器的传感循环之间的信号的参数的目标值；确认信号的测量值和目标值之间的差值；确认传感循环之间的持续时间；使用差值和持续时间，计算从测量值得到目标值的步长数；以及通过所述步长数调整测量值，从而基本上与目标值一致。
在另一实施例中，提供了被配置为在循环传感中使用的压力传感器。该传感器包括：至少一个压阻元件，其被配置为传感压力和输出电压；电路，其被配置为接收元件的输出电压和识别用于传感器的传感循环之间的电压的目标值；确认元件的输出值和目标值之间的差值；确认传感循环之间的持续时间；使用差值和持续时间，计算从输出值得到目标值的步长数；以及通过所述步长数调整输出，从而基本上与目标值一致；以及提供调整后的输出作为传感器的修正输出。
附图说明
从如下结合附图考虑的说明中，本发明的特征和优势将变得明显，其中：
图1是描绘可用于在循环环境中测量压力的示例性压力传感器的各个方面的轴测图；
图2是描绘图1中的压力传感器的未修正输出的曲线图，其中输出电压被作为时间(任意单位)的函数示出；
图3是图2的曲线图的分解图，其中输出被作为时间(单位为秒)的函数示出；
图4是描绘压力传感器的示例性输出的另一个曲线图；
图5是描绘用于图4中所描绘的输出的示例性修正输出的曲线图；
图6是描绘压力传感器的输出电压作为外部触发事件的函数的曲线图；以及
图7是描绘用于修正压力传感器的输出的示例性电路的原理图。
具体实施方式
本文所公开的技术用于修正在循环环境中部署的压力传感器的输出。有利地，该技术提供了在环境温度的可变性影响数据可靠性的环境中准确的压力测量数据。特别地，这些技术提供了高频下采集的数据的实时修正。
在某些应用中，压力传感器的输出(即给ASIC的输入信号)发生偏置漂移，这是由于热应力和/或机械应力引起的。尽管发生偏置，输出的基线值应当保持在特定水平(也就是，如果可能的话应当不考虑由于外部应力导致的漂移)。考虑到许多实现的动态性，对偏置漂移的调整需要信号的主动补偿。该热应力和/或机械应力的补偿被称为动态偏置补偿，或者“DOC”。
通常，本文所公开的技术包括以下技术：用于表征压力传感器的输出，计算用于输出的动态偏置补偿(DOC)，以及实现动态偏置补偿(DOC)从而修正压力传感器的输出。
正如本文所讨论的，术语“循环的”通常指的是其中条件在重复基础上改变的环境。在示例性实施例中，采样环境为内燃机的燃烧室。在该实施例中，增加内燃机的转数/分钟(RPM)导致循环时间下降。另外，高速或者低速的持续操作会引起显著不同的操作温度。相应地，在任意给定的循环，或者一系列循环中，环境温度会增加，降低，或者保持相对稳定，只有较小的波动。
正如本文所讨论的，术语“偏置漂移”、“偏置”、“漂移”以及其它相关术语通常指的是输出相对任意给定参数的校准条件或期望输出的偏差。可以预期漂移是可预测的。偏置漂移是可预测的(例如，作为温度的函数的偏差)。无论是否可预测，通常期望的是基本上消除偏差从而标准化给定参数的输出数据。
通常，如本文所讨论的并且在循环信号的语境下，术语“信号”指的是输入信号、输出信号、以及其中所提供的技术的应用将导致期望的结果的信号链的任意部分。
现在参考图1，其中示出了示例性压力传感器10。本文为了讨论的目的，示例性压力传感器被分成四个区域。每个区域通常会经历与邻近区域不同的温度。例如，其中压力传感器10被用于内燃机中，区域A通常提供外部连接，并且通常经历比压力传感器10的其它部分更低的温度。区域A可以暴露于例如发动机舱。区域B通常提供压力传感器10的安装。区域B可以暴露于例如气缸盖或者发动机体。区域C通常表示区域B(其中压力传感器被安装)以及感测环境(区域D)之间的过渡区域。区域D可以停留在其中需要感测的环境中。区域D可以暴露于例如内燃机的燃烧室。
在示例性压力传感器中，单晶硅应变仪(MSG)作为传感元件被使用。这些元件的温度依赖性可以很大，并且在MSG传感元件中存在制造偏差。相应地，校准程序可以在制造过程中采用，其中大量的参数将会被写入与压力传感器10相关联的非易失性存储器中。
正如可以推测的，当压力传感器10被用于内燃机中时，其承受巨大的应力。这种应力可以实现为前述温度和温度梯度的结果。应力同样可以实现为机械应力(诸如来自振动和燃烧爆震的机械应力)的结果。
通常，多个应变仪相连形成惠斯通电桥电路以增加压力传感器10的输出并且降低对误差的敏感度。示例性电气原理图在图7中提供，并在本文进一步讨论。
现在参考图2，其中示出了来自压力传感器10的示例性未修正(原始)数据。该数据反应了燃烧循环的重复性特性。也就是说，在压缩期间，压力传感器10的输出电压迅速增加。在燃烧之后，压力传感器10的输出电压快速下降。在仅有标称压力的环境(即，在燃烧循环的底部)中，压力传感器10应该产生被示为“目标”电压(即，通常与无问题操作相关的理想电压)的输出电压。广义上，“基线”值是在每个燃烧压力循环之后的输出电压值。正如所见到的，“基线”电压，或者压力传感器10的真实输出电压某种程度上可以高于或低于目标电压。这种不一致是各种因素(主要是影响传感元件的温度和机械应力)的结果。
现在参考图3，其提供了图2中所示曲线部分的分解图。用于与本文教导一致的基线电压的动态偏置修正(DOC)的算法，从假设两个连续循环的持续时间变化不大开始。也就是说，一个循环的循环时间很好的近似下一个循环的循环时间(即，通过参考先前循环的持续时间可以估计给定循环的持续时间)。作为惯例，两个连续峰值检测交叉点之间的时间(ti-ti-1)被用于估计循环时间(在这种情况下，为转数/分钟，RPM)。用于修正的采样时刻(tm，i)可以选为最新交叉点ti之后的时间(ti-ti-1)的百分比，或者ti之后的固定时刻。这可以用于确保输出值V(tm，i)总是在低压区域，或者处于最小压力(通常用“m”表示)。图3示出用于燃烧压力信号的触发时刻。在本文的实施例中，DOC的采样时刻被给定为最新峰值交叉点(ti)之后的时间的百分比。
对于燃烧压力信号，在一些实施例中，基于循环时间的定时可以基于由ECU触发，并且由压力传感器10拾取的事件。这一事件可以发生在对应于固定曲柄角位置的时刻。有利地，固定的曲柄角位置是客观参数，其不受诸如温度、漂移、变化转数/分钟的方面的影响，并且容易获得。
在本文提供的实施例中，动态偏置修正(DOC)基于线性调整。在数字化实现中，在输出电压中，动态偏置修正(DOC)可以通过连续以小步长VDOCstep调整输出电压来实现。通常，步长VDOCstep的大小被选为足够小，从而确保基本线性行为。换句话说，步长大小应足够小，使得每一步长都不会与输出电压信号的典型噪声水平区分。可以用自适应性方式确定斜率，使得修正的输出积极向预定参考水平(Vtarget)或理想电压移动。修正的斜率通过改变两个小步长之间的时间以及小步长的方向(上升+ΔV或下降-ΔV)来实现。
步长VDOCstep的大小可以是预定的，并且根据条件可以变化。例如，步长VDOCstep的大小可以提供在将步长VDOCstep大小与发动机转速/分钟(RPM)相关联的数据表中。选择性地，步长VDOCstep的大小可以作为将步长VDOCstep大小与发动机RPM相关联的函数提供。简言之，用于确定和提供步长VDOCstep大小的多种技术可以实现。通常，步长VDOCstep大小被提供为参数，其被存储在(诸如装在用于实施动态偏置修正(DOC)的专用集成电路(ASIC)上的)存储器中。
在该实施例中，偏置漂移是目标电压VDOCtarget和在时刻tm，i测量的输出电压Vtm，i之间的差值ΔV，其可以根据等式(1)进行计算：
ΔV＝VDOCtarget-Vtm，i等式(1)
为了得到目标电压VDOCtarget所需的步长数nr.steps，可以采用参数VDOCstep进行计算，如等式(2)中提供的：
nr.steps＝|ΔV/VDOCstep|等式(2)
单步长的持续时间dtfinal可以根据等式(3)来确定：
dtfinal＝(ti-ti-1)/(nr.steps)等式(3)
ΔV的符号确定小步长的方向(正向或者反向)。
在另一实施例中，反馈控制回路，例如比例-积分-微分(PID)控制回路，使用前面的斜率值来最优化修正步长。
现在参考图4和5，其中描述了模拟结果。图4提供一种典型的(未修正的)输出电压曲线，而图5描绘了针对相同数据组的修正曲线。正如可以在图中看到的，图4中的数据趋向在目标输出值之上，而图5中的数据紧密跟随目标输出电压水平。
当动态偏置修正(DOC)被启用时，无需对传感元件的偏置进行温度补偿，并且可以关闭关于温度的偏置补偿。针对传感元件的增益误差的温度修正的更新可以继续，并且在触发时刻tm，i后立刻就可以施加修正值的更新。
动态偏置修正(DOC)可以在电路水平被启用或者禁用。如果用于动态偏置修正(DOC)的电路被启用，电路将会自动补偿压力传感器的输出中的偏置，使得输出的基线基本上与特定目标电压一致。在一些实施例中，如果电路被禁用，将仅对MSG传感元件的偏置来补偿输入偏置。
DOC电路可以通过燃烧脉冲的自动检测来触发。这被称为“内部触发”。除了内部触发，DOC还可以“外部触发”。例如，经由引起触发输入识别的短路输出-接脚，外部触发可以发生。
图6提供了外部触发的示例性脉冲。在该示例中，如果在一定时间内，输出被强制到低于V1的水平，其就被识别为外部触发脉冲。当消除输出短路时，DOC将会在某一时间内采样，并且使用所采样的水平补偿一个步长中的输出。用于实现该逻辑的示例性参数被提供在表2中。
表2
示例性外部触发参数
通过将内部触发和外部触发结合，有可能选择使用传感器的应用的多种模式。用于操作的示例性模式被提供在表3中。
表3
工作模式
正如在表3中所呈现的，“传感器启动”指的是在启动发动机之前的时刻压力传感器10的启动。“正常操作”指的是具有在正在运行的发动机的情况下压力传感器10的操作以及存在越过峰值检测水平(Vpeakdet)的燃烧脉冲。
当ASIC启动时，可能没有立即呈现脉冲。在ASIC启动或者重启的情况中，偏置将在由参数tDOC_start_up限定的有限时间量内被补偿。在该时间量内，输出将会达到精确限制内的输出水平。
在其中没有燃烧脉冲被检测到的情况下，ASIC将会进入暂停模式。该模式被描述为在某一时间量后执行DOC修正回路，其中该时间在ASIC的非易失性存储器中是可编程。用于进入暂停模式的阈值可以是恒定的时间量或最后所监控的循环时间的某一百分比。一旦进入暂停模式，执行DOC修正回路的频率也可以由恒定的时间量或者最后所监控的循环时间的某一百分比确定。
图7描绘了压力传感器以及附随的ASIC的示例性原理图。通常，ASIC将以全惠斯通配置连接的压敏电阻中小的变化转换为输出电压中大的变化。输出为比率度量，并且是供电电压的百分比。注意所示出的原理图仅用于典型应用，并且不反映ASIC可以支持的应用的种类。
在示例性实施例中，退耦电容器(C1)可以置于电源(PWR)和地(GND)之间。EMC电容器(C2和C3)可以合并，以增强对外部电气干扰的免疫力。滤波电容器(C4)可以与内部固定电容器结合使用，作为输出阶段的第一级RC滤波器。通常，RC滤波器提供限制输出电压(OUT)的测量中的噪声。输出线路中小的低阻串联电阻R1改善了传感器的EMC性能。
已经介绍了用于修正循环信号中的偏置漂移的技术，这里给出一些额外的方面。
该技术并不限于与压力传感器一起使用。所公开的技术可以用于修正来自在条件的循环感测期间经历漂移的任意类型传感器的数据。示例性其它类型的传感器包括力传感器、扭矩传感器、定位传感器(诸如那些配置用于线性或角度测量的传感器)、速度传感器(诸如那些配置用于线性或角度测量的传感器)、加速度传感器(诸如那些配置用于线性或角度测量的传感器)、化学传感器(诸如那些配置用于烟灰、NOx以及许多其它物质的传感器)、温度传感器、气流传感器、电导率传感器、碱度传感器以及其它这种类型的传感器。
相应地，针对相应类型的传感器，“目标值”可以被识别。在本文所提供的实施例中，目标值为目标电压。然而，可以为认为有意义的任意参数选定目标值。示例性参数包括电流、电压、频率、光学输出以及被认为可应用的任意其它类型的传感器输出。
传感技术可以利用各种技术中的任何一种或多种。例如，传感技术可以使用压阻、压电、微机电系统(mems)，电容和磁性(霍尔)效应传感，以及其它等。
传感器输出可以包括例如模拟输出和/或数字输出。示例性模拟输出包括电压、电流和脉宽调制(PWM/频率)。示例性数字输出包括例如LIN、SENT、I2C、以及CAN-总线输出。
另外，其它部件可以被包含在内并且引入其中，以用于提供本文教导的多个方面。例如，额外的电子部件以及软件，电子部件以及软件的结合和/或其省略可以用于提供本文教导范围内的额外实施例。
正如本文所讨论的，术语“软件”通常指的是指令集，其被提供为机器可执行的指令，其被提供为诸如存储在机器可读介质上的非暂时信号。通常，软件提供动态偏置修正计算、数据存储、输出调整、触发控制以及其它这种功能中的至少一种。正如本文所讨论的，“软件”可以下载到压力传感器中(即，写入到ASIC中)、存储在ASIC中、或者驻留在ASIC中。例如，软件可以以通常被称为“固件”的方式提供在只读存储器(ROM)中。
正如本文所讨论的，“动态偏置修正”通常指的是降低或者基本上降低外部应力对传感元件输出的影响。例如，基本上消除影响使得输出漂移降低到对于特定设计，或者从设计者，制造商，用户或者其他类似感兴趣人群的角度可接受的范围内的水平。选择性地，基本上消除外部电荷的影响使得输出漂移降低到超出竞争性设计性能的水平(或者两者都达到)。
其它各种元件可以被包括并且引入，以用于提供本文教导的多个方面。例如，额外的材料、材料的组合和/或材料的省略可以用于提供该教导范围内的额外实施例。
当引入本发明或其实施例(一个或多个)的元件时，冠词“a”，“an”以及“the”意在表示存在一个或多个该元件。类似地，形容词“另一个”，当用于引入元件时，其意在表示一个或多个元件。术语“包括”和“具有”意在是包含的，使得除了列出的元件外还可以存在额外的元件。
尽管已经参考示例性实施例对本发明进行了描述，本领域技术人员应当理解在不偏离本发明的范围的情况下，可以做出各种改变，并且可以采用等价物替换其中的元件。另外，在不偏离其本质范围的情况下，许多修改将会被本领域技术人员所理解，以使特定的仪器、情况或材料适应本发明的教导。因此，意在本发明并不限于作为执行本发明所预期的最佳模式所公开的实施例，而是本发明将包括落入附加的权利要求范围内的所有实施例。
Claims (16)
1.一种用于修正循环传感中所使用的传感器的偏置漂移的方法，所述方法包括：
识别传感器的传感循环之间的信号的参数的目标值；
确认信号的测量值和目标值之间的差值；
确认传感循环之间的持续时间；
使用差值和持续时间，计算从测量值得到目标值的步长数；以及
通过所述步长数调整测量值，从而基本上与目标值一致。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述传感器包括压力传感器。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述压力传感器包括以惠斯通电桥方式布置的多个压阻元件。
4.根据权利要求1所述的方法，其中一个步长的持续时间被计算为循环的持续时间除以步长数。
5.根据权利要求4所述的方法，其中通过使用反馈控制回路调整步长的持续时间。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述输出包括以下之一：电压、电流、脉宽调制(PWM/频率)、LIN、SENT、I2C、以及CAN-总线输出。
7.根据权利要求1所述的方法，其中确认持续时间包括参考先前循环的持续时间。
8.根据权利要求1所述的方法，其中测量值指示以下之一：力、扭矩、定位、速度、加速度、化学成分、温度和流动。
9.一种配置为在循环传感中使用的压力传感器，所述传感器包括：
至少一个压阻元件，被配置为感测压力和输出电压；
电路，被配置为接收所述压阻元件的输出电压和识别用于传感器的传感循环之间的电压的目标值；确认电压的测量值和目标值之间的差值；确认传感循环之间的持续时间；使用所述差值和所述持续时间，计算从测量值得到目标值的步长数；通过所述步长数调整输出，从而基本上与目标值一致；以及提供调整后的输出作为传感器的修正输出。
10.根据权利要求9所述的压力传感器，其中所述至少一个压阻元件包括以惠斯通电桥方式布置的压阻元件。
11.根据权利要求9所述的压力传感器，其中所述电路包括耦合到传感器的专用集成电路ASIC。
12.根据权利要求11所述的压力传感器，其中所述专用集成电路ASIC能配置为暂停模式。
13.根据权利要求9所述的压力传感器，其中步长的大小从数据存储器中获得。
14.根据权利要求9所述的压力传感器，其中步长的大小作为循环持续时间的函数被计算。
15.根据权利要求9所述的压力传感器，其中电路被配置为由事件的检测来内部触发。
16.根据权利要求9所述的压力传感器，其中电路被配置为外部触发。
Applications Claiming Priority (2)
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