DE10020165A1

DE10020165A1 - Verfahren zur Dehzahlerfassung durch Überlagerung von Gebersignalen

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Publication number: DE10020165A1
Application number: DE10020165A
Authority: DE
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-03-29
Filing date: 2000-04-25
Publication date: 2001-10-18
Anticipated expiration: 2020-04-26
Also published as: DE10020165B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erfassung der Drehzahl einer Verbrennungskraftmaschine, an der ein Geberrad (2) an einem rotierenden Bauteil (3, 4) aufgenommen ist, wobei am Geberrad (2) eine Vielzahl von Zähnen (5, 6, 7, 8, ...) aufgenommen ist, die von Drehzahlgebern (9) bzw. (11), die dem Umfang des Geberrades (2) zugeordnet sind, abgetastet werden. Dem Geberrad (2) sind zwei Drehzahlgeber (9) bzw. (11) zugeordnet, die zueinander in einem Winkelverhältnis, abhängig von dem zu unterdrückenden Störsignal orientiert sind und von Störsignalen (15, 17) überlagerte physikalische Signale (14, 16) abgreifen.

Description

Technisches Gebiet

Zur Steuerung von Brennkraftmaschinen ist ein sehr exakte Drehzahlerfassung bzw. Winkelmessung wichtig. Zur Drehzahl- bzw. Winkelmessung dient in der Motorsteuerung ein auf der Kurbelwelle montiertes Geberrad mit beispielsweise 60 Zähnen am Umfang und einer Zahnlücke von 2 Zähnen.

Stand der Technik

Zur optimalen Steuerung von Brennkraftmaschinen ist eine sehr exakte Drehzahlerfassung bzw. eine hochexakte Winkelmessung sehr wichtig. Die Drehzahl- und Winkelmessung wird über ein auf der Kurbelwelle aufgenommenes Geberrad ermittelt, welches beispielsweise 60 Zähne am Umfang aufweist und mit einer Lücke, die 2 Zähne umfaßt, versehen ist zur Bestimmung der Absolutlage des Geberrades. Dem auf der Kurbelwelle einer Brennkraft maschine montierten Geberrad ist ein Drehzahlgeber zugeordnet, der beispielsweise als ein induktiver Drehzahlgeber beschaffen sein kann. Die Drehzahl läßt sich mit Hilfe dieser Komponenten aus der Zeit ermitteln, die vergeht, bis die Kurbelwelle sich um ein durch ein Umfang des Geberrades definiertes Winkelsegment gedreht hat. Bei diesen Konfigurationen ist zwar die Zeitmessung recht exakt, wohingegen das Winkelsegment, das durch die elektrischen Flanken des Drehzahlgebersignals definiert ist, verschiedenen Toleranzen unterworfen sein kann, so beispielsweise Toleranzen hinsichtlich aufeinanderfolgender Zähne, Anbaufehler des Geberrades auf der Kurbelwelle sowie einer möglichen Exzentrizität des Geberrades als spritzgußgefertigtes Bauteil beispielsweise.

Es wird versucht, die Einflüsse der beispielhaft aufgeführten Toleranzquellen aus dem Geber von Segmentfehlern im Schubbetrieb der Brennkraftmaschine abzuleiten (Einspritzmenge = 0), ferner werden Geberrad-Lernverfahren für Einzelzähne eingesetzt. Diese Verfahren lassen sich im ersten Falle nur zur Detektion von Fehlern der Länge 720° Kurbelwinkel/Zylinderzahl einsetzen, ferner ist Schubbetrieb (d. h. Einspritzmenge = 0) zwingende Voraussetzung für dieses Verfahren. Mit dem Geberrad-Lernverfahren für Einzelzähne können Winkelfehler, die einen Drehzahlverlauf vortäuschen, der mit der Zündfrequenz der Brennkraftmaschine übereinstimmt, nicht erfaßt werden.

DE 44 45 684 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung von Dreh momenten, Arbeiten und Leistungen an Verbrennungskraftmaschinen zur Bestimmung zylinderspezifischer Arbeits-, Drehmoment- und Leistungswerte, insbesondere zur Regelung des Motors bzw. der einzelnen Zylinder. Dies wird erreicht durch eine genaue Ermittlung von Kennlinien und einer aus dem Kennlinienfeld errechenbare Ermittlung des effektiven Drehmomentes, welches für die Ermittlung der weiteren zylinderspezifischen Daten wesentlich ist.

Darstellung der Erfindung

Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren lassen sich mit der Zündfrequenz auftretende Winkelfehler kompensieren. Dadurch ist eine wesentlich exaktere Erfassung der Zündfrequenzkomponenten der Drehzahl einer Verbrennungskraftmaschine möglich. Ist die Zündfrequenzkomponente mit höchstmöglicher Genauigkeit erfaßt, läßt sich diese einem Momentenschätz verfahren aus Drehzahlsignalen zugrunde legen, deren im Rahmen eines Schätzverfahrens ermittelte Werte wesentlich aussagekräftiger sind. Ferner lassen sich die Zahnfehler, die für die Zumeßgenauigkeit von Bedeutung sind, kompensieren, so daß eine höhere Genauigkeit für die Erfassung der Drehzahl gegeben ist.

Das zweimalige Abgreifen eines physikalischen Signales, sowie dessen Mittelung an einer Summationseinheit, erlaubt ein gegenseitiges Sich-Aufheben von Störsignalen, wenn diese so in einer Phasenlage gebracht werden können, daß die Phasenverschiebung der Störsignale zueinander 180° ausmacht. Damit läßt sich die Zündfrequenz einer realen Brennkraftmaschine so genau erfassen, wie bei einem nicht mit Winkelfehlern behafteten System. Gilt es andere Frequenzkomponenten zu erfassen, so kann der Winkelabstand, in dem die zwei dem Umfang des Geberrades zugeordneten Sensoren anzuordnen sind, anders gewählt werden; bei der Mengenausgleichsregelung beispielsweise ist die exakte Kurbelwellenfrequenz wichtig. Bei der Erfassung von Kurbelwellensignalen können die Sensoren unabhängig von der Zylinderzahl der Brennkraftmaschine um jeweils 180° KW zueinander versetzt angeordnet werden.

Für die Kraftstoffzumessungzeitpunkte können Winkelfehler besonders kritisch sein. Durch geeignete Anordnung der Sensoren am Umfang des Geberrades können die Störanteile dadurch ausgelöscht oder gegeneinander aufgehoben werden, daß der Winkelabstand zwischen erstem und zweiten Sensor in Umfangsrichtung 6° KW beträgt, d. h. ein Zahninkrement, unabhängig von der Anzahl der Zylinder der Brennkraftmaschine.

Zeichnung

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt die Erfassung von physikalischen Signalen am Umfang eines Geberrades, die jeweils von Störsignalen überlagert sind, sowie die Mittelung dieser zusammengesetzten Signale an einer Summationseinheit.

Ausführungsvarianten

Bei der Konfiguration gemäß Fig. 1 wird ein physikalisches Signal 1, beispielsweise die Drehzahl einer Verbrennungskraftmaschine, über ein Geberrad 2 ermittelt. In bevorzugter Ausgestaltung des Geberrades 2 ist dieses mit einer Umfangsverzahnung versehen, beispielsweise mit entlang des Umfangs verteilt angeordneten 60 Zähnen, von denen hier die Zähne 5, 6, 7 und 8 dargestellt sind. Die Zähne 5, 6, 7 und 8 sind vergrößert herausgezeichnet und schließen zwischen jeweils zwei Zähnen einen Winkel von 90° ein. Am Umfang des Geberrades 2 ist die Zahnlücke von zwei Zähnen vorhanden, die der Ermittlung der Absolutlage des Geberrades 2 und damit der Erfassung der Absolutlage der Kurbelwelle 3, 4 einer Brennkraftmaschine dienen.

Das Geberrad 2 wird in bevorzugter Ausführungsvariante an der Stirnseite der Kurbelwelle 3, die um die Kurbelwellenachse 4 rotiert, befestigt und erlaubt eine Erfassung der Drehzahl der Kurbelwelle bzw. einer Erfassung der Winkellage der Kurbelwelle durch die Sensoren 9 und 11.

Im in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Verhältnisse an einer 4- Zylinderbrennkraftmaschine dargestellt. Dem Umfang des im Uhrzeigersinn rotierenden Geberrades 2 sind zwei Sensoren 9 bzw. 11 zugeordnet, deren Sensorköpfe 10 bzw. 12 an die Köpfe der Zähne des Geberrades 2 heranreichen, von denen hier lediglich die Zähne 5, 6, 7 und 8, alle im Winkel von 90° zueinander positioniert, dargestellt sind. Da es sich um eine 4-Zylinderbrenn krafimaschine handelt, und sich der Winkel zwischen den Sensoren 9 bzw. 11 gemäß der Beziehung 360° KW (Kurbelwellenwinkel/Zylinderzahl) bestimmt, beträgt der Winkel zwischen den Sensoren 9 bzw. 11 90° KW. Bei 6- Zylinderbrennkraftmaschinen wären es 60° KW, bei 8-Zylindermotoren analog 45° KW.

Als Drehzahlgeber 9 bzw. 11 kommen induktiv oder kapazitiv arbeitende Geber in Betracht, deren Stirnflächen 10, 12 möglichst nah an den Umfang des Geberrades 2 herangeführt sind, um möglichst genaue Signale zu empfangen. Die analoge, physikalische Drehzahl des Motors liegt als Drehzahlverlauf n (t) vor. Durch Auswertung der Zahnflanken bei einer Drehzahlerfassung wird die Passage der Flanken der Zähne 5, 6, 7 oder 8 entlang der Sensoren 9 bzw. 11 erfaßt, so daß die Zündfrequenzkomponente dieser Signale genau bestimmbar ist. Handelte es sich um ein System, das ohne jeglichen Fehler vorläge, so erfolgte bei einer Auswertung der Information eines der Sensoren 9 bzw. 11 die Erfassung des gewünschten Drehzahlverlaufes n (t), das physikalische Signal 1 entspräche in diesem Falle dem abgegriffenen Signal 14 bzw. 16, welches ohne jegliche überlagerte Fehlersignale vorläge. Das ideale Signal wäre beispielsweise in 6° KW-Abstand gemittelt und entsprechend diskretisiert, was jedoch in der Darstellung gemäß der einzigen Figur nicht dargestellt ist.

Reale Drehzahlerfassungssysteme sind mit Winkelfehlern behaftet, was fertigungs- und montagetechnisch bedingt ist. Das physikalische vom jeweiligen Sensor 9 bzw. 11 abgegriffene Signal 14 bzw. 16 wird von einem Störsignal 15 bzw. 17 überlagert. Das jeweilige Störsignal 15 bzw. 17 hängt von den Winkelfehlern, mit denen das Drehzahlerfassungssystem behaftet ist, ab. Das Störsignal 15 bzw. 17 wird in der Praxis aus einem Frequenzgemisch gebildet; in der Darstellung gemäß der einzigen Figur ist das jeweilige Störsignal 15 bzw. 17 lediglich aus dem Frequenzanteil, der die Zündfrequenzkomponente repräsentiert, gebildet, der für die Anwendung besonders kritisch ist. Durch das mittels des Sensors 9 beispielsweise abgegriffene Signal 14, übertragen durch die Signalleitung 13, welchem ein Störsignal 15 überlagert ist, wird eine Bestimmung der tatsächlichen Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine erschwert. Dies ist dann der Fall, wenn zur Drehzahlerfassung lediglich das Signal eines Drehzahlgebers ausgewertet werden kann.

Erfolgt die Drehzahlerfassung bei einer Verbrennungskraftmaschine hingegen zusätzlich mit einem weiteren Drehzahlgeber 11, der in Bezug auf den bereits angesprochenen ersten Drehzahlgeber 9 um 90° zu diesem versetzt angeordnet ist, so wird der mit dem Geberrad 2 und dessen Zähnen jeweils mitlaufende Fehler vom weiteren Drehzahlgeber 11 um 90°, also eine Viertelumdrehung des Geberrades 2 später, nochmals erfaßt. Wird diese Phasenverschiebung des Drehzahlsignales um 90° KW auf die Phase der Grundschwingung, beispielsweise der zu erfassenden Zündfrequenz bezogen, so ergibt sich eine Gesamtphasenver schiebung von 180°.

In der einzigen Figur sind die tatsächlich abgegriffenen Signale 14 bzw. 16 von einem Störsignal 15 bzw. 17 überlagert, welches - angedeutet durch die gestrichelte, sich vertikal erstreckende Linie - um 180° zueinander phasenverschoben sind. Bei einer Mittelung der jeweils aus dem abgegriffenen Signal 14 bzw. 16 der Drehzahlgeber 9 bzw. 11 und dem diesen jeweils überlagernden Störsignal 15, 17 gebildeten Sensorsignal 18 bzw. 19, heben sich aufgrund der mit einer Phasenverschiebung von 180° zueinander vorliegenden Störsignale 15 und 17 diese gegeneinander auf. Die jeweils gebildeten Drehzahlgebersignale 18 bzw. 19 lassen sich nach deren Zusammenführung 20 einer Summationseinheit 21 zuführen und normieren. Aus dem normierten Signal läßt sich ein Ausgangssignal 22 rekonstruieren, welches dem Signal entspricht, daß bei einem winkelfehlerlosen System erfaßt werden könnte. In vorliegendem Fall ließe sich die Zündfrequenzkomponente ohne Überlagerung durch ein Störsignal genauestens erfassen.

Für die Erfassung der Zündfrequenzkomponente bietet sich eine um 90° KW zueinander versetzte Anordnung der Drehzahlgeber 9 bzw. 11 an; soll an anderen Frequenzkomponenten hingegen erfaßt werden, so kann zwischen den Drehzahlgebern 9 bzw. 11 auch ein anderer Winkelabstand gewählt werden, der verschieden von 90° ist. Das von den Drehzahlgebern bzw. Sensoren 9, 11 gelieferte Drehzahlsignal 14, 16 kann frequenzselektiv, z. B. über eine FFT (Fast Fourier Transformation) ausgewertet werden. Welche Frequenzanteile jeweils anschließend analysiert und korrigiert werden, hängt von der jeweiligen Anwendung ab. Das erste Sensorsignal 14 enthält auf der jeweiligen Frequenz ein Signal, welches die physikalische Drehzahlinformation und eine vom Geberrad 2 kommende Störung 15 enthält.

Signal_1,k = Signal_Physik,k + Signal_Stör,k (1)

Der zweite Sensor 11 liefert bei derselben betrachteten Frequenz ein Signal 16, welches die physikalische Drehzahlinformation Amplituden- und phasengleich wie der erste Sensor 9 enthält, jedoch überlagert von einer um eine bestimmte Phase verschobenen Störung 17. Die Phasenverschiebung hängt dabei von der betrachteten Frequenz und dem Winkelabstand ab, unter dem die beiden Sensoren bzw. Drehzahlgeber 9, 11 zueinander montiert sind. Die Amplitude der Störung ist identisch mit der Störung 15 vom ersten Signal 14.

Signal_2,k = Signal_Physik,k + Signal_Stör,k x e^-jk ^ϕ (2)

ϕ: Winkelabstand Kurbelwellenwinkel der beiden Drehzahlsensoren 9 bzw. 11 voneinander
k: Vielfaches des Winkelabstandes
Signal_x: komplexe Amplitude der jeweiligen Schwingung

Werden beide Gleichungen (1) und (2) ineinander eingesetzt, so kann die Größe Signal_Physik,k oder Signal_Stör,k berechnet werden.

Auch Störsignalanteile durch Zahnteilungsfehler des Geberrades 2, die aufgrund der Anordnung der beiden Drehzahlgeber 9 bzw. 11 nicht mit 180° Phasenverschiebung ausgewertet werden, können über die obigen zwei Gleichungen ermittelt oder eliminiert werden.

Zur Mengenausgleichsregelung im Schubbetrieb einer Verbrennungskraft maschine ist eine besonders genaue Erfassung der Frequenz der Kurbelwelle 3 wichtig. Wird der Winkelabstand zwischen den Drehzahlgebern 9 bzw. 11 auf 180° KW gewählt, so läßt sich mit dem Geberrad 2 und den Drehzahlgebern 9 bzw. 11 eine exaktes, die tatsächliche Kurbelwellenfrequenz repräsentierendes Drehzahlsignal erzeugen, bei dem die real auftretenden Störsignale 15 bzw. 17 sich gegeneinander aufheben, unabhängig von der Anzahl der Zylinder der Brennkraftmaschine.

Für die genaue Ermittelung der Kraftstoffzumeßzeitpunkte für die Einspritzvorgänge, ist besonders der Winkelfehler von Zahninkrement zu Zahninkrement, welcher dem Geberrad 2 zwangsläufig innewohnt, wichtig. Mit der oben angegebenen Vorgehensweise lassen sich auch diese Signale überlagernde Störanteile von Zahninkrement zu Zahninkrement gegeneinander aufheben, wenn der Winkelabstand zwischen den dem Umfang des Geberrades 2 jeweils zugeordneten Drehzahlgebern 9 bzw. 11 ein Zahninkrement, d. h. bei 60 Zähnen beim Umfang des Geberrades 2, 6° KW, beträgt. Der Winkelversatz der Drehzahlgeber 9 bzw. 11 kann 6° KW, unabhängig von der Zylinderanzahl der Verbrennungskraftmaschine betragen, an der die Einspritzzeitpunkte für die Zumessung der Kraftstoffmenge zu bestimmen sind.

Bezugszeichenliste

1

physikalisches Signal

2

Geberrad

3

Kurbelwelle

4

Kurbelwellenachse

5

1. Zahn

6

2. Zahn

7

3. Zahn

8

4. Zahn

9

1. Drehzahlgeber

10

Drehzahlgeberkopf

11

2. Drehzahlgeber

12

Drehzahlgeberkopf

13

Signalleitung

14

erstes abgegriffenes Signal

15

1. Störsignal

16

zweites abgegriffenes Signal

17

2. Störsignal

18

erstes erzeugtes Drehzahlgebersignal

19

zweites erzeugtes Drehzahlgebersignal

20

Zusammenführung

21

Summationseinheit

22

rekonstruiertes physikalisches Signal

Claims

1. Verfahren zur Erfassung der Drehzahl einer Brennkraftmaschine, an der einem rotierenden Bauteil (3, 4) ein Geberrad (2) zugeordnet ist, an dessen Umfang eine Vielzahl von Zähnen (5, 6, 7, 8 . . .) aufgenommen ist, die von Drehzahlgebern (9 bzw. 11), die am Umfang des Geberrades (2) angeordnet sind, abgetastet werden, dadurch gekennzeichnet, daß dem Geberrad (2) zwei Drehzahlgeber (9, 11) zugeordnet sind, die zueinander in einem Winkelverhältnis, abhängig von dem zu unterdrückenden Störsignal orientiert sind und von Störsignalen (15, 17) überlagerte physikalische Signale (14, 16) abgreifen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem der Drehzahlgeber (9 bzw. 11) ein Störsignal (15 bzw. 17) detektiert wird, welches zu dem jeweils anderen detektierten Störsignal (15, 17) verschoben ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Störsignale (15 bzw. 17) um 180° zueinander phasenverschoben sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgrund des Winkelabstandes zwischen den Drehzahlgebern (9, 11) vorliegende Phasenverschiebung von 360° KW/Anzahl der Zylinder bei Bezug auf die Grundschwingung einer 180° Phasenverschiebung ergibt.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorliegenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aus den physikalischen Signalen (14, 16) mit überlagerten Signalen (15 bzw. 17) erzeugten Signale (18, 19) in einer Summationseinheit (21) gemittelt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Störsignale (15 bzw. 17) aufgrund der Phasenverschiebung von 180° komplett gegeneinander aufheben.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung einer anderen Frequenzkomponente als der der Zündfrequenz, ein anderer Winkelabstand am Umfang des Geberrades (2) zwischen dem ersten Drehzahlgeber (9) und dem zweiten Drehzahlgeber (11) zu wählen ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kraftstoff mengenausgleichsregelung die exakte Lage der Kurbelwelle (3, 4) durch zwei um 180° zueinander versetzt angeordnete Drehzahlgeber (9 bzw. 11) erfaßt wird.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung der Zumeßgenauigkeit Zahninkremente erfaßt werden, wobei der Winkelabstand zwischen den dem Umfang des Geberrades (2) zugeordneten Drehzahlgebern (9 bzw. 11), 6° KW unabhängig von der Anzahl der Zylinder der Verbrennungskraftmaschine beträgt.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Drehzahlgebern (9, 11) gelieferten Drehzahlsignale (14, 16) frequenzselektiv über eine Fast Fourier Transformation ausgewertet werden.