DE10154155A1 - Winkel-/Drehzahlmesser mit Dynamikkorrektur und entsprechendes Korrekturverfahren - Google Patents

Winkel-/Drehzahlmesser mit Dynamikkorrektur und entsprechendes Korrekturverfahren

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Winkelmesser bzw. Drehzahlmesser mit einem an einer Welle (1) einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Kfz-Kurbelwelle, angeordneten Geber (2) mit einer Vielzahl von kreisförmig angeordneten Markierungen (3), die jeweils ein Inkrement (i) voneinander beabstandet sind, und einem mit dem Geber (2) zusammenwirkenden Sensor (4), wobei der Winkel-/Drehzahlmesser den/die zu messende(n) Winkel/Drehzahl auf der Grundlage einer Inkrement-Periodendauer bestimmt. Um die Meßgenauigkeit eines solchen Winkel- bzw. Drehzahlmessers zu verbessern, wird vorgeschlagen, eine Einheit (5) zur Ermittlung einer korrigierten Inkrement-Periodendauer für ein aktuelles Inkrement (i) des Gebers (2) vorzusehen, welche die korrigierte Inkrement-Periodendauer unter Berücksichtigung der Inkrement-Periodendauer eines entsprechenden Referenzinkrements (i') ermittelt.

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft einen Winkel- bzw. Drehzahlmesser gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, der den/die zu messende(n) Winkel-/Drehzahl auf der Grundlage von Sensorsignalen und einer Inkrement-Periodendauer bestimmt, sowie ein Korrekturverfahren für eine aktuelle Inkrementperiodendauer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 9.
  • Winkel- oder Drehzahlmesser werden beispielsweise in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um den Winkelstand bzw. die Drehzahl der Kurbel- oder Nockenwelle zu bestimmen. Der Winkel- bzw. Drehzahlmesser umfasst dabei typischerweise einen an einer Welle angeordneten Geber mit einer Vielzahl von Markierungen, die jeweils ein sogenanntes Inkrement voneinander beabstandet sind, und einen mit dem Geber zusammenwirkenden Sensor.
  • Als Sensoren können kapazitive, induktive, optische oder andere gebräuchliche Sensoren dienen. Die am Geber vorgesehenen Markierungen sind entsprechend magnetische Elemente, Vorsprünge oder z. B. Zähne eines Geberrades etc..
  • Fig. 1 zeigt einen bekannten Winkelmesser, wie er z. B. in Kraftfahrzeugen zur Bestimmung der Winkelstellung der Kurbelwelle eingesetzt wird. Der dargestellte Winkelmesser umfasst ein an einer Kurbelwelle 1 angeordnetes Geberrad 2 mit einer Vielzahl von umfangsseitig angeordneten Zähnen 3, die in Pfeilrichtung an einem Sensor 4 vorbeilaufen. Die Markierungen bzw. Zähne 3 sind dabei in konstanten Abständen voneinander angeordnet. Die Schrittweite der Markierungen 3 wird als Inkrement (i, i + 1, i + 2) bezeichnet.
  • Die Winkelstellung bzw. die Drehzahl der Welle 1 wird bei dieser Anordnung auf der Grundlage der Flankensignale und der sogenannten Inkrement-Periodendauer ermittelt. Die Inkrementperiodendauer ist die Zeitspanne zwischen zwei im Sensor 4 erzeugten Impulsen, also die Zeitspanne, die ein Inkrement i (von einer steigenden Flanke zur nächsten steigenden Flanke oder von einer fallenden Flanke zur nächsten fallenden Flanke der Zähne 3) benötigt, um am Sensor 4 vorbei zu laufen. Bei einem vorgegebenen Inkrement i von z. B. 6° kann daraus in einfacher Weise die aktuelle Winkelstellung bzw. Drehzahl der Welle 1 berechnet werden.
  • Die üblicherweise verwendeten Geber haben eine relativ geringe Anzahl von Markierungen (Zähnen). Typisch verwendete Geberräder 2, wie sie in Fig. 1 gezeigt sind, haben beispielsweise nur sechzig oder einhundertzwanzig Zähne 3, wodurch nur eine grobstufige Winkel- bzw. Drehzahlerfassung möglich ist.
  • Aus diesem Grund werden üblicherweise Winkelpositionen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Markierungen bzw. Zahnflanken 3 mit der Inkrement-Periodendauer des vergangenen Inkrements (i - 1) extrapoliert. D. h., die im aktuellen Inkrement (i) vorliegende Periodendauer ist immer die "veraltete" Periodendauer aus dem letzten Inkrement (i - 1).
  • Am Beispiel von Fig. 1 heißt dies: Nach dem Vorbeilaufen des Inkrements i am Sensor 4 wird die zu diesem Inkrement (i) gehörige Inkrement-Periodendauer auch für das Inkrement i + 1 zu Grunde gelegt. Bei einer starken Beschleunigung (positiv und negativ) zwischen zwei Inkrementen können sich daraus beträchtliche, nicht mehr tolerierbare Meßfehler ergeben.
  • Gerade bei Brennkraftmaschinen, insbesondere Kfz-Verbrennungsmotoren, treten relativ hohe Schwankungen der Motordrehzahl, hervorgerufen durch Kompression bzw. Expansion der Zylinder, auf.
  • Fig. 2 zeigt ein typisches Beispiel eines Motordrehzahlverlaufs für einen 4-Zylinder-Motor eines Kfz in einem Motorzyklus (jeder der Zylinder hat einmal gezündet). Betrachtet man das dargestellte Drehzahlsignal der Kurbelwelle, so sieht man von Einspritzung zu Einspritzung (bzw. Zündung zu Zündung) einen wiederkehrenden, in manchen Drehzahlbereichen sinusförmigen Drehzahlverlauf, der vom jeweils angegebenen Zylinder verursacht wurde. Die Zündung des Kraftstoffs im Zylinder bewirkt zunächst eine Beschleunigung des Motors bis zu einem oberen Scheitelpunkt und schließlich eine Verlangsamung bis zu einem Punkt, an dem die Zündung eines nachfolgenden Zylinders einsetzt.
  • Diese relativ hohe Drehzahldynamik verursacht wiederum Fehler in der berechneten Winkelposition bzw. Drehzahl.
  • Vorteile der Erfindung
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drehzahl- bzw. Winkelmesser mit genauer Meßwerterfassung sowie ein entsprechendes Verfahren zur genaueren Messung der Winkelstellung oder Drehzahl einer Welle zu schaffen.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 bzw. 9 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Der wesentliche Gedanke der Erfindung besteht darin, an einem gattungsgemäßen Winkel- bzw. Drehzahlmesser eine Einheit vorzusehen, die eine korrigierte Inkrement-Periodendauer für ein aktuelles Inkrement unter Berücksichtigung der Inkrement- Periodendauer eines Referenzinkrements ermittelt, dessen Inkrement-Periodendauer bereits aus einer früheren Auswertung bekannt ist.
  • Als Referenzinkremente können solche Inkremente dienen, die dem gleichen Arbeitspunkt eines Zylinders zuordenbar sind wie das aktuelle Inkrement. Die Referenzinkremente können dabei aus dem gleichen Arbeitszyklus des Motors wie das aktuelle Inkrement oder aus einem vorhergehenden Arbeitszyklus stammen.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegen das aktuelle Inkrement und das Referenzinkrement genau einen oder mehrere Motorzyklen (entsprechend m Umdrehungen der Welle) auseinander. In diesem Fall wird also die Inkrement- Periodendauer bezüglich desselben Zylinders ermittelt.
  • Wahlweise kann die korrigierte Inkrement-Periodendauer auch unter Berücksichtigung eines Referenzinkrements bezüglich eines anderen Zylinders ermittelt werden. In diesem Fall liegen das aktuelle Inkrement und das Referenzinkrement 1/k (k = Zylinderzahl) Motorzyklen (bei einer üblichen Kfz- Kurbelwelle entsprechend 2.n/k Markierungen, n = Anzahl der Markierungen bei einer Umdrehung) oder ein Vielfaches davon auseinander.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung berücksichtigt die Einheit zur Ermittlung einer korrigierten Inkrement-Periodendauer außerdem eine gegebenenfalls zusätzlich aufgetretene Motorbeschleunigung (durch Gasgeben oder Abbremsen). Zu diesem Zweck wird die Differenz zwischen der Inkrement-Periodendauer eines ersten Inkrements und der Inkrement- Periodendauer eines Referenzinkrements bzw. die entsprechende Drehzahldifferenz berechnet.
  • Die Inkrement-Periodendauer des ersten Inkrements stammt vorzugsweise aus dem aktuellen Motorzyklus und die Inkrement- Periodendauer des Referenzinkrements aus einem vorhergehenden Motorzyklus.
  • Vorzugsweise ist das erste Inkrement, das aktuell am Sensor vorbeilaufende Inkrement und das Referenzinkrement ein zugehöriges Inkrement aus einem vorhergehenden Motorzyklus.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Geber als Geberrad mit umfangsseitig angeordneten Zähnen gebildet.
  • Die gemessenen Inkrement-Periodendauern bzw. Drehzahlen werden vorzugsweise in einem Speicher (RAM) gespeichert, aus dem die Einheit die Inkrement-Periodendauer bzw. die Drehzahl eines zugehörigen Referenzinkrements ausliest.
    • Zeichnungen
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
  • Fig. 1 einen Winkelmesser gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • Fig. 2 den Drehzahlverlauf während eines Arbeitszyklus eines Kraftfahrzeugmotors; und
  • Fig. 3 einen tatsächlichen und einen gemessenen Drehzahlverlauf bezüglich eines einzelnen Zylinders.
  • Fig. 1 zeigt einen an einer Welle 1 angeordneten Geber 2 mit einer Reihe von umfangsseitig angeordneten Zähnen (Markierungen) 3, die in Pfeilrichtung an einem Sensor 4 vorbeilaufen. Für eine genaue Erläuterung wir auf die Beschreibungseinleitung verwiesen.
  • Die Geber-Sensor-Anordnung 2,4 ist mit einer Einheit 5 zur Ermittlung einer korrigierten Inkrement-Periodendauer versehen, die die Inkrement-Periodendauer für ein aktuelles Inkrement (i) unter Berücksichtigung der Inkrement-Periodendauer eines geeigneten Referenzinkrements berechnet, dessen Inkrement-Periodendauer bereits bekannt ist.
  • Im einfachsten Fall kann die korrigierte Inkrement- Periodendauer Pkorr(i) bzw. Drehzahl Nkorr(i) eines aktuell am Sensor 4 vorbeilaufenden Inkrements i wie folgt bestimmt werden:

    Pkorr(i) = P(i' + 1)

    Nkorr(i) = N(1' + 1)
  • Dabei liegen die Inkrement i und i' das 1/k-fache eines Motorzyklus (k = Anzahl der Zylinder) oder ein Vielfaches davon auseinander. Dies entspricht wiederum einer bestimmten Anzahl von Markierungen 3, die durch die Schrittweite der Markierungen 3 vorgegeben ist.
  • Fig. 2 zeigt einen typischen Drehzahlverlauf während eines Arbeitszyklus eines Motors. Dabei ist deutlich der von Einspritzung zu Einspritzung bzw. Zündung zu Zündung wiederkehrende sinusförmige Drehzahlverlauf zu erkennen, der durch Expansion und Kompression der Zylinder hervorgerufen wird.
  • Die Punkte i1-i3 stellen jeweils Inkremente dar, die jeweils derselben Arbeitsstellung eines Zylinders entsprechen und daher als Referenzinkremente für ein Inkrement i4 dienen können.
  • Fig. 3 zeigt zwei Ausschnitte aus dem Drehzahlverlauf eines Verbrennungsmotors für einen ersten Zylinder. Dabei ist der sinusförmige Verlauf der tatsächliche Drehzahlverlauf des ersten Zylinders und der stufenförmige Verlauf der von der Meßeinrichtung ermittelte Drehzahlverlauf.
  • Wie zu erkennen ist, besteht zwischen dem tatsächlichen und dem ermittelten Drehzahlverlauf eine Phasenverschiebung. Wie bereits beschrieben, entsteht diese durch durch die Art der Drehzahlermittlung.
  • Betrachtet man das Beispiel von Fig. 1, so wird nach dem Vorbeilaufen eines Inkrements 1 am Sensor 4 eine zugehörige Inkrement-Periodendauer ermittelt, auf deren Grundlage die Winkelstellung bzw. die Drehzahl der Welle 1 im Inkrement i + 1 berechnet wird. Die Inkrement-Periodendauer ist zu diesem Zeitpunkt aber bereits veraltet.
  • In der Darstellung von Fig. 3 ist zu erkennen, dass die Drehzahl N für ein Inkrement i' erst im Inkrement i' + 1 zur Verfügung steht und wesentlich unter der tatsächlich im Inkrement i' + 1 vorhandenen Drehzahl liegt.
  • Um nun die Inkrement-Periodendauer für ein aktuelles Inkrement i zu korrigieren, wird die aus dem vorhergehenden Arbeitszyklus bekannte Inkrement-Periodendauer P(i' + 1) bzw. Drehzahl N(i' + 1) des entsprechenden Referenzinkrements i' zu Hilfe genommen.
  • Eine Motorbeschleunigung vom letzten zum aktuellen Motorzyklus zeigt sich in einer Verringerung der Inkrement- Periodendauer (im vorliegenden Fall einer Vergrößerung der Motordrehzahl um einen Wert a. Um die Motorbeschleunigung zu berücksichtigen, wird schließlich zur Inkrement-Periodendauer P(i' + 1) des Referenzinkrements i' bzw. Motordrehzahl N(i' + 1) noch die Differenz der Inkrement-Periodendauer P(i) des letzten Inkrements i - 1 mit der zugehörigen aus dem letzten Arbeitszyklus P(i') addiert.
  • Die korrigierte Inkrement-Periodendauer Pkorr berechnet sich wie folgt:

    Pkorr(i) = P(i' + 1) + P(i) - P(i')
  • Für die korrigierte Drehzahl Nkorr(i) gilt:

    Nkorr(i) = N(i' + 1) + N(i) - N(i')
  • Die so ermittelte phasenkorrigierte Inkrement-Periodendauer Pkorr(i) bzw. Drehzahl Nkorr(i) wird schließlich für die Extrapolation des Winkels genutzt. Bezugszeichenliste 1 Welle
    2 Geber
    3 Zähne
    4 Sensor
    5 Korrektureinheit
    6 Speicher
    a Anhebung der Drehzahl auf Grund einer Motorbeschleunigung
    i aktuelles Inkrement
    i' bereits durchlaufenes Inkrement

Claims (11)

1. Winkelmesser/Drehzahlmesser mit einem an einer Welle (1) einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Kfz-Kurbelwelle, angeordneten Geber (2) mit
einer Vielzahl von kreisförmig angeordneten Markierungen (3), die jeweils ein Inkrement voneinander beabstandet sind, und
einem mit dem Geber (2) zusammenwirkenden Sensor (4),
wobei der/die zu messende(n) Winkel/Drehzahl auf der Grundlage der Sensorsignale sowie einer Inkrement- Periodendauer bestimmt wird
gekennzeichnet durch eine Einheit (5) zur Ermittlung einer korrigierten Inkrement-Periodendauer Pkorr(i) für ein aktuelles Inkrement (i) unter Berücksichtigung der Inkrement- Periodendauer P(i' + 1) eines Referenzinkrements (i').
2. Winkelmesser- bzw. Drehzahlmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzinkrement (i') und das aktuelle Inkrement (i) einen oder mehrere Motorzyklen auseinander liegen.
3. Winkel- bzw. Drehzahlmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzinkrement (i') und das aktuelle Inkrement (i) 1/k (k = Zylinderzahl) Motorzyklen oder ein Vielfaches davon auseinander liegen.
4. Winkel- bzw. Drehzahlmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit (5) zur Ermittlung der korrigierten Inkrement-Periodendauer Pkorr(i) zusätzlich eine gegebenenfalls aufgetretene Motorbeschleunigung berücksichtigt, wobei die Differenz zwischen der Inkrement-Periodendauer P(i) eines ersten Inkrements (i - 1) und der Inkrement-Periodendauer P(i') eines entsprechenden Referenzinkrements (i' - 1) berechnet wird.
5. Winkel- bzw. Drehzahlmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzinkrement (i' - 1) aus einem vorhergehenden Motorzyklus stammt.
6. Winkel- bzw. Drehzahlmesser nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die korrigierte Inkrement- Periodendauer Pkorr(i) für ein aktuell am Sensor (4) vorbeilaufendes Inkrement (i) nach folgender Formel berechnet wird:
Pkorr(i) = P(i' + 1) + P(i) - P(i')
7. Winkel- bzw. Drehzahlmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Geber ein Geberrad (2) mit umfangsseitig angeordneten Zähnen (3) ist.
8. Winkel- bzw. Drehzahlmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel- bzw. Drehzahlmesser einen Speicher (6) aufweist, in dem die Inkrement-Periodendauern P(i) bzw. Drehzahlen N(i) gespeichert werden.
9. Verfahren zur Bestimmung des Winkels/Drehzahl einer Welle (1) einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Kfz- Kurbelwelle, wobei der/die zu messende(n) Winkel/Drehzahl auf der Grundlage einer Inkrement-Periodendauer bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine korrigierte Inkrement- Periodendauer Pkorr(i) unter Berücksichtigung der Inkrement- Periodendauer Pkorr(i' + 1) eines entsprechenden Referenzinkrements i' ermittelt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Inkrement-Periodendauer P(i' + 1) des Referenzinkrements (i') aus einem Speicher (6) ausgelesen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung der korrigierten Inkrement- Periodendauer Pkorr(i) eine ggf. aufgetretene Motorbeschleunigung berücksichtigt wird.
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