DE102004019146A1

DE102004019146A1 - Steuersystem zum Erzeugen von Steuersignalen für Stellglieder und Verfahren zum Steuern von Stellgliedern

Info

Publication number: DE102004019146A1
Application number: DE200410019146
Authority: DE
Inventors: Rainer Dipl.-Ing. Falsett; Reinhard Dipl.-Ing. Seyer; Christian Prof. Dr. Siemers
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2004-04-21
Filing date: 2004-04-21
Publication date: 2005-11-17

Abstract

Es wird ein Steuersystem (1) zum Erzeugen von Steuersignalen für Stellglieder, insbesondere für Stellglieder von Brennkraftmaschinen, sowie ein Verfahren zum Steuern von Stellgliedern beschrieben. Die Steuersignale werden in Abhängigkeit von zeitkritischen Signalen eines Sensors (2) zum Erfassen von Drehwinkeln eines rotierenden Bauteils (21) und mit einem Mikroprozessor (3) erzeugt. Ein Nullpunkterkennungs- und Taktsignalerzeugungsmodul (29), ein Zählermodul (17) und ein Steuersignalgeneratormodul (15) sind als mit einem Mikroprozessor (3) verknüpftes zusammenhängendes Komponentensystem zum Erzeugen der Steuersignale vorgesehen. Bei dem Verfahren zum Steuern der Stellglieder werden in Abhängigkeit eines auf Basis von aktuell vorliegenden Drehwinkelinformationen des Sensors (2) zu erwartende Winkelinformationen des Bauteils (21) abgebildet, anhand welcher die Steuersignale in den mit dem Mikroprozessor (3) verknüpften dezentralen Komponenten (15, 17, 29) generiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuersystem zum Erzeugen von Steuersignalen für Stellglieder, insbesondere für Stellglieder von Brennkraftmaschinen, gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art sowie ein Verfahren zum Steuern von Stellgliedern gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 13 näher definierten Art.
In der Praxis werden zur Verbesserung klassischer Fahrzeugsysteme immer mehr so genannte mechatronische Systeme eingesetzt, die von ihrer Steuerung schnelle Reaktionen fordern. Die Reaktionen müssen aber nicht nur schnell, sondern auch zeitgenau erfolgen. Diese Zeitbedingungen müssen in der Regel zuverlässig eingehalten werden. Sie besitzen keine Toleranz gegenüber Verzögerungen und sind zur Aufrechterhaltung und Erfüllung ihrer Funktion auf höchste Präzision und Zuverlässigkeit bei ihrer Steuerung angewiesen.
Dabei ist „Harter Determinismus" gefordert, der mit Hilfe von herkömmlichen Prozessoren nur schwer zu erfüllen ist. Dies gilt insbesondere für Prozessoren der oberen Leistungsklasse. Caches wirken hier zwar beschleunigend, aber nur statistisch. Im Einzelfall führen sie zu Verzögerungen. Erst wenn die vom Determinismus geforderten Reaktionszeiten hinreichend lang sind, wirkt sich eine Beschleunigung der Verarbeitung auf diese Art insgesamt positiv aus.
Bei extrem schnellen Reaktionszeiten kann aber aufgrund dieser Mechanismen Determinismus nicht mehr garantiert werden. Hinzu kommt, dass die Latenzzeiten der Interruptbehandlung bei diesen Prozessoren zum einen sehr lang sein können und zum anderen keine konstante Verzögerungszeit angegeben werden kann. Auch dies führt zu Problemen, wenn versucht wird, mit diesen Prozessoren schnelle, zeitpräzise und zuverlässige Reaktionen zu erzeugen.
Konkret bedeutet dies im Fall der Steuerung von Zylindern einer Brennkraftmaschine, dass Einspritzung und/oder Zündung zu sehr exakt vorgegebenen Zeitpunkten erfolgen müssen. Dabei handelt es sich allerdings nicht um Zeitpunkte, sondern um Winkelwerte. Werden die Arbeitsspiele eines 4-Takt-Otto- oder -Dieselmotors auf zwei Umdrehungen der Kurbelwelle abgebildet, so entspricht eine Periode einem Winkelwert von 720 Grad, was zwei Umdrehungen der Kurbelwelle entspricht.
Einspritzung und/oder Zündung müssen zu exakt vorbestimmten Winkelpositionen erfolgen. Die Ermittlung der Vorgabe ist zwar komplex, aber eine der Leistungsfähigkeit eines Steuerungsprozessors angemessene und einfach durchzuführende Aufgabe. Ein Problem betrifft das präzise Treffen des Zeitpunkts der Ausgabe der Signale an Einspritzdüse und/oder Zündung.
Diese Problematik wird dadurch verstärkt, dass bei neueren Dieselaggregaten nicht nur eine Einspritzung durchgeführt wird. Eine Voreinspritzung erhöht die Anzahl der präzise anzusteuernden Ereignisse. Des Weiteren erhöht sich die Problematik dadurch, dass beispielsweise nicht nur der Einschaltzeitpunkt einer Einspritzung präzise getroffen werden muss, sondern auch der Ausschaltvorgang. Damit verdoppelt sich noch einmal die Anzahl der zeitkritischen reaktiven Aktionen. Unter Berücksichtigung, dass es sich meist nicht nur um einen Zylinder handelt, sondern um drei, vier, sechs, acht oder zwölf, wird deutlich, welche Anforderungen diese Reaktionen an ein Steuerungssystem stellen. Bei einer elektrischen Ventilsteuerung werden die Anforderungen weiterhin zunehmen.
Bei einer mittleren Drehzahl von 3000 Umdrehungen pro Minute erfolgt eine Umdrehung der Kurbelwelle in 20 ms. Ein Winkelgrad wird in diesem Fall in 55 μs durchlaufen. Die Bearbeitungsleistung, die auf einen Prozessor zukommt, lässt sich dadurch ermessen, dass für eine präzise Reaktion eine Genauigkeit von 0,1 Winkelgraden berücksichtigt werden muss. Daher müssen Reaktionen mit einer Präzision von einigen Mikrosekunden erfolgen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass ein zugrunde liegender Kurbelwellenwinkelsensor nur alle 6 Winkelgrade Signale liefert. Alle notwendigen Interpolationen, um auf eine Auflösung von 0,1 Grad zu kommen, müssen ebenfalls von der Steuerungselektronik durchgeführt werden. Dies ist jedoch nachteilhafterweise nur noch von kostenaufwendigen Hochleistungsprozessoren zu leisten.
Dabei ist es in diesem Zusammenhang bereits problematisch, wenn die Interrupt-Latenzzeiten größer als eine Mikrosekunde sind.
Die vorbeschriebene hohe Präzision resultiert aus der geforderten Dynamik, der Leistungsentfaltung, der Laufruhe, der Sauberkeit der Verbrennung und damit eine vom Gesetzgeber geforderte Minimierung der Emissionen und die effiziente Nutzung des Kraftstoffs.
Aus der Praxis bekannte Motorsteuerungen sind im allgemeinen aus einer zentralen Steuereinheit, an die Aktoren und Sensoren angeschlossen sind, gebildet. Dabei liefern Kurbelwellen- und Nockenwellenwinkelsensoren Eingangssignale, die der Motorsteuerung zugeführt werden. Dort werden sie aufbereitet und verarbeitet und führen in Verbindung mit anderen Informationen zu Reaktionen für Einspritzung und Zündung.
Problematisch ist in diesem Zusammenhang, dass der Weg aller Informationen immer über eine zentrale Steuereinheit führt, weshalb sie grundsätzlich das begrenzende Systemelement darstellt. Da die Anzahl der zu steuernden Peripherieeinheiten ständig zunimmt und im konkreten Fall einer Motorsteuerung die elektrischen Ventile zukünftig ebenfalls von dieser aus gesteuert werden müssen, kommen zusätzliche Funktionen, wie eine gezielte Steuerung des Zylinderinnendrucks, hinzu, die zusätzliche zeitliche Anforderungen an die Zentraleinheit stellen. Nachteilig ist, dass im Zentrum der Steuerung viele zeitliche Anforderungen zusammentreffen. Sie konkurrieren beim Zugriff auf die CPU und verdrängen sich gegenseitig, wodurch eine Konfliktsituation entsteht. Letztgenannte hat zur Folge, dass gegebenenfalls nicht alle Reaktionen im spezifizierten Zeitraum durchgeführt werden können. Um dieses Ziel erreichen zu können und die Zuverlässigkeit der zeitlichen Behandlung permanent erfüllen zu können, ist es erforderlich, die Verarbeitungsgeschwindigkeit zu erhöhen. Dies führt jedoch nachteilhafterweise zu überproportionalen Kosten. Die Reaktionsgeschwindigkeit muss so schnell sein, dass alle Zeitbedingungen unter allen Betriebsbedingungen immer erfüllt werden können.
Eine zusätzliche Problematik liegt in der Steuerung der Zentraleinheit durch einen Mikroprozessor. Seine Bearbeitung erfolgt auf der Basis sequentieller Logik, die wesentlich lang samer ist als beispielsweise parallele Logik. Hinzu kommt, dass die Beschleunigungsmechanismen von Mikroprozessoren, die auf Caches basieren, einem schnellen Determinismus negativ gegenüberstehen.
Zum allgemeinen Stand der Technik wird auf die DE 102 37 221 A1 verwiesen, aus der ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bereitstellen eines kurbelwinkelbasierten Signalverfahrens bekannt ist. Dort wird zur Bereitstellung eines eine relevante Betriebskenngröße einer Brennkraftmaschine repräsentierenden, kurbelwinkelbasierten Signalverlaufes mit hoher Auflösung vorgeschlagen, die Betriebskenngröße zeitbasiert mit hoher Auflösung zu erfassen und mit Hilfe eines zeit- und winkelbasierten Kurbelwinkelsginals von geringer Auflösung unter Interpolation auf Kurbelwinkelbasis zu transformieren und dem oberen Totpunkt des jeweiligen Zylinders im Vielfachen eines frei wählbaren Winkelinkrementes zur Interpolation mit hoher Winkelauflösung zuzuordnen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zentrale Steuerung zur Verfügung zu stellen, deren Verarbeitungskapazität und Flexibilität derart ausgebildet ist, dass die aus der Praxis gestellten hohen Anforderungen hinsichtlich der schnellen und zuverlässigen Zeitbedingungen kostengünstig ausführbar sind.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Steuersystem mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 13 gelöst.
Mit dem erfindungsgemäßen Steuersystem zum Erzeugen von Steuersignalen für Stellglieder, insbesondere für Stellglieder von Brennkraftmaschinen, in Abhängigkeit von zeitkritischen Signalen eines Sensors zum Erfassen von Drehwinkeln eines ro tierenden Bauteiles mit einem Mikroprozessor steht eine autoreaktive mechatronische Einheit zur Verfügung, mittels der extrem präzise und kostengünstig Steuersignale für Stellglieder generierbar sind.
Dies wird dadurch erreicht, dass ein Nullpunkterkennungs- und Taktsignalerzeugungsmodul, ein Zählermodul sowie ein Steuersignalgeneratormodul als ein mit dem Mikroprozessor verknüpftes zusammenhängendes Komponentensystem zum Erzeugen der Steuersignale vorgesehen sind. Damit werden zeitintensive sowie rechenleistungsintensive Berechnungsschritte auf dezentrale Komponenten übertragen, dort ausgeführt und an die entsprechenden Empfänger weitergeleitet, so dass eventuelle die Funktionstüchtigkeit eines Systems beeinträchtigende Verdrängungsphänomene auf einfache Art und Weise und kostengünstig vermieden werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Steuern von Stellgliedern, insbesondere von Stellgliedern einer Brennkraftmaschine, bietet vorteilhafterweise die Möglichkeit, eine zentrale Steuerung mittels eines Mikroprozessors zu entlasten und bezüglich der zeitkritischen Ausgabe der eigentlichen Ansteuerfunktionen zu entkoppeln. Dies wird dadurch erreicht, das in Abhängigkeit eines auf Basis von aktuell vorliegenden Drehwinkelinformationen des Sensors zu erwartende Winkelinformationen des rotierenden Bauteils abgebildet werden, anhand derer die Steuersignale in mit dem Mikroprozessor verknüpften dezentralen Komponenten generiert werden.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen und den unter Bezugnahme auf die Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispiel.
Dabei zeigen:
1 ein stark schematisiertes Blockschaltbild eines Steuersystems für eine Brennkraftmaschine mit einem aktiven Sensor als Peripheriekomponente;
2 einen Blockaufbau eines erfindungsgemäß ausgeführten Steuerungssystemes für eine Brennkraftmaschine;
3 ein Blockschaltbild des Steuerungssystems gemäß 2, welches zur Generierung der Zeitbasis und zeitbasisabhängigen Steuersignalen vorgesehen ist;
4 eine Schaltung zur Sensorsignalsynchronisierung mit Haupttakt;
5 ein Blockschaltbild, welches ein Zählerdesign zur Bestimmung des Zeitabstands zwischen zwei Impulsgebern des rotierenden Bauteiles darstellt;
6 ein Ablaufdiagramm zur Nullpunktbestimmung;
7 ein Blockschaltbild, welches den Aufbau eines Zählermoduls wiedergibt;
8 ein Teil des Steuersignalgeneratormoduls in Form eines Blockschaltbildes; und
9 ein Blockschaltbild, welches einen weiteren Teil des Steuersignalgeneratormoduls darstellt.
In 1 ist ein Blockschaltbild einer Motorsteuerung gezeigt, welche ein erfindungsgemäß ausgeführtes Steuersystem 1 aufweist. Das Steuersystem 1 ist in 2 und 3 detaillierter dargestellt, wobei in 4 bis 9 einzelne Funktionalitäten des Steuersystems 1 näher gezeigt sind.
Das Steuersystem 1 ist als ein so genannter intelligenter Sensor ausgeführt, mittels welchem die Auswertung der zeitkritischen Signale eines Kurbelwellen- und Nockenwellenwinkelsensors 2 durchgeführt wird. Mittels des Steuersystemes 1 werden Signale des Kurbelwellen- und Nockenwellenwinkelsensors 2, der nachfolgend der Einfachheit halber als Sensor 2 bezeichnet wird, derart aufbereitet, dass der aktuelle Winkel der Kurbelwelle oder der Nockenwelle einer Brennkraftmaschine als Grundlage für ein Steuersignal mit einer Auflösung von 0,1 Grad vorliegt.
Des Weiteren steht das Steuersystem 1 mit einer zentralen Rechnereinheit bzw. einem Mikroprozessor 3 in Verbindung, die wiederum mit weiteren Peripherieeinheiten, wie einem Luftmassensensor 4, einem Öltemperatursensor 5, einem Kühlwassertemperatursensor 6, einem Abgastemperatursensor 7, einer Lambda-Sonde 8, einer Abgasrückführeinrichtung 9 sowie einer Kommunikationseinheit 10, Datensignale austauscht. Hierbei sind die Peripherieeinheiten optional, d.h. es sind nicht alle Peripherieeinheiten nötig oder es können einige Peripherieeinheiten auch mehrfach vorgesehen sein.
Die in Abhängigkeit des Sensors 2 und in Abhängigkeit einer mit dem Mikroprozessor 3 durchgeführten Kommunikation über das Steuersystem 1 ermittelten Steuersignale werden verschiedenen Stellgliedern, die zur Motorsteuerung bzw. zur Steuerung einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeuges vorgesehen sind, zugeführt. Diese Stellglieder sind in 1 unter den Bezugszeichen 11 und 12 als Rechtecke symbolhaft dargestellt, wobei die Stellglieder vorzugsweise Komponenten eines Einspritzsystems 11 oder auch eines Zündsystems 12 einer Brennkraftmaschine sind.
Anhand von 2 und 3, in welchen das Steuersystem 1 jeweils detaillierter dargestellt ist, soll die Wirkungsweise des Steuersystems 1 näher erläutert werden.
Zunächst werden dem Mikroprozessor 3 Eingangswerte von Steuerdatenfeldern 24 (Control Data Arrays) und weiteren Sensorsignalen 25, d. h. Signalen der vorgenannten Sensoren 4, 5, 6, 7 sowie der Lambdasonde 8, der Abgasrückführeinheit 9, der Kommunikationseinheit 10 sowie beliebigen weiteren Fahrzeugkomponenten zugeführt, anhand derer jeweils Einschaltwerte 13 und Ausschaltwerte 14 bestimmt werden, die Eingangswerte für ein Steuersignalgeneratormodul 15 darstellen. Die vom Mikroprozessor 3 ermittelten Einschalt- und Ausschaltwerte 13, 14 stellen vorliegend aktuelle Winkelwerte eines rotierenden Bauteiles dar. D. h., sie entsprechen Winkelwerten der Kurbelwelle und der Nockenwelle der Brennkraftmaschine. Die Einschalt- und Ausschaltwerte 13, 14 werden in einem Komparator 16 mit über ein Nullpunkterkennungs- und Taktsignalerzeugungsmodul 29 und ein Zählermodul 17 bestimmten Winkelwerten verglichen.
Des Weiteren ist das Steuersignalgeneratormodul 15 mit einer Registerbaugruppe 18 ausgebildet, in der die Winkelwerte, bei welchen ein Steuersignal von dem Steuersystem 1 generiert wird, abgelegt werden. Mit dieser Vorgehensweise kann extrem genau reagiert werden. Der Komparator 16 erzeugt die Steuersignale für Stellglieder, die Komponenten des Einspritzsystems 11 und/oder des Zündsystems 12 sein können. Die Abschaltung des Steuersignals erfolgt durch ein vorliegend nicht näher dargestelltes korrespondierendes Zeitregister des Steuersystems 1, das mit Zeitwerten für die Einschaltdauer des von dem Steuersignalgeneratormodul 15 erzeugten Steuersignales beschrieben ist. Mit dem Ablauf eines Zeitwertes erfolgt die Abschaltung des entsprechenden Steuersignales.
Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, die Steuersignale des Steuersignalgeneratormoduls 15 in Abhängigkeit bestimmter Drehwinkelwerte zu generieren, wobei die Vorgehensweise, die Steuersignale über das vorbeschriebene Zeitregister zu aktivieren, eine geringere Rechnerleistung erfordert, weil ein vorgegebener Zeitwert für eine Einschaltdauer einen Wert darstellt, der bei der Verarbeitung zugänglicher ist, da er direkt anfällt und daher ohne einen weiteren Verarbeitungsschritt verwendet werden kann.
Die Vorgabe für die Registerbaugruppe 18 wird von dem Mikroprozessor 3 sowie dem Zählermodul 17 und dem Nullpunktbestimmungs- und Takterzeugungsmodul 29 gebildet, so dass die Motorsteuerung bzw. der Mikroprozessor weiterhin die volle Kontrolle über alle Parameter zur Steuerung der Zylinder behält und eine Entkopplung bezüglich der zeitkritischen Ausgabe der eigentlichen Ansteuerfunktionen erfolgt.
Der Sensor 2 steht über einen Kanal 26 mit dem Steuersignalgeneratormodul 15 in Verbindung, über den die Vorgaben in die Registerbaugruppe 18 geschrieben werden können. Das Einschreiben der Vorgaben ist weit weniger zeitkritisch als die Erzeugung der Ansteuersignale, weil es pro Umdrehung der Nockenwelle höchstens einmal erfolgen muss. Hierfür stehen aber, wie oben erwähnt, bei einer mittleren Drehzahl von 3000 Umdrehungen pro Minute an der Kurbelwelle immerhin 40 ms zur Verfügung. Dieser Wert liegt deutlich über dem von einer Mikrosekunde und kann von jedem Prozessor in der Regel ohne Aufwand eingehalten werden.
Aufgrund der bereits vorhandenen Informationen und der vorhandenen Logik ist es mit dem Steuersystem 1 nahezu ohne Zeitaufwand möglich, die aktuelle Drehzahl zu bestimmen. Sie wird dem Mikroprozessor 3 über einen Rückkanal 19 zugeführt.
Unterstützt wird der vorbeschriebene Ansatz dadurch, dass diese dezentrale Logik als parallel arbeitende Logik ausgeführt wird. Eine solche parallele Logik ist extrem schnell und sehr zuverlässig.
Das in 1 dargestellte Blockschaltbild stellt ein mechatronisches System dar, bei dem Vorgaben, Überwachungen und kommunikative Aufgaben von einer leistungsfähigen zentralen Einheit, vorliegend dem Mikroprozessor 3, ausgeführt werden. Schnelle, zuverlässige Reaktionen werden in dezentrale Einheiten, d. h. vorliegend das Steuersystem 1, ausgelagert, so dass Sensor-Informationen mit Aktor-Reaktionen auf kurzem Weg verbunden werden.
Die Sensoren sowie die Aktoren bzw. Stellglieder stehen mit dem Mikroprozessor 3 in Verbindung, erhalten von hier Vorgaben und Anweisungen und informieren über einen rückwärts gerichteten Kanal über Prozesszustände und Leistungsfähigkeit. Eine entsprechende Konfiguration entkoppelt die Zeitanforderungen der Mechanik von der Leistungsfähigkeit einer zentralen Steuerungseinheit bzw. dem Mikroprozessor 3, so dass ein kostengünstiger modularer Aufbau mechatronischer Systeme auf der Basis des Zusammenspiels zwischen aktiven dezentralen Modulen und einer zentralen Steuerungseinheit vorliegt.
Das der Erfindung zugrunde liegende Konzept wird vorliegend als Beispiel für eine autoreaktive mechatronische Einheit dargestellt. Es handelt sich um eine Einheit, die in der Lage ist, extrem präzise und kostengünstig die Steuerungszeiten einer Motorsteuerung zu gewährleisten, wobei dazu die in 1 dargestellten Komponenten enthalten sind. Der sensorische Teil ist der Auswertung der Winkelinformation zugeordnet.
Bei einem 4-Takt-Ottomotor gibt es die Freiheitsgrade, wie einen Zündzeitpunkt, einen Kraftstoffzuführungsbeginn und eine Dauer der Kraftstoffzuführung und bei neueren Motoren einen Ventilöffnungsbeginn sowie eine definierte Öffnungsdauer, die mit dem Kurbelwellenwinkel verknüpft sind und auf die direkt steuernd eingegriffen werden muss. Bei Dieselmotoren sind dies der Einspritzbeginn und Einspritzdauer sowie in Zukunft ebenfalls Ventilöffnungsbeginn und Öffnungsdauer. Zusätzlich sind hier mehrere Werte für Einspritzbeginn und Einspritzdauer in einem Arbeitsspiel vorzusehen, um Vor-, Haupt- und Nacheinspritzung realisieren zu können.
Auf der Basis der Signale von dem Kurbelwellen- und Nockenwellensensor 2 erfolgt eine Auswertung, die als Ergebnis einen Winkelwert darstellt. Der Winkel stellt den Phasenwinkel des Antriebs dar, der für einen Viertaktantrieb einen Winkelbereich von 0 – 719 Grad annimmt. Die Auswertung detektiert den Nullpunkt, zählt die Winkelinformationen und stellt sie dar. Eine wesentliche Ergänzung erhält die Information dadurch, dass der inkrementale Schritt des Geberrads so untersetzt wird, dass man eine erhöhte Winkelauflösung von 0,1 Grad erhält.
Die zweite Aufgabe des sensorischen Teils der in 1 dargestellten Einheit der Motorsteuerung befasst sich mit der Ermittlung der Drehgeschwindigkeit.
Der aktorische Teil wird von einem Registersatz, der durch mehrere Registerbaugruppen 18 gebildet ist und jeweils einem damit korrespondierenden Komparator 16 gebildet. Jede Registerbaugruppe 18 ist über einen binären Ausgangskanal mit einer Reaktion verbunden. Die Winkelinformation liegt an allen Registern gleichzeitig an. Die Registerbaugruppen enthalten Winkelinformationen, die sich auf vorzunehmende Aktionen beziehen. Sie kennzeichnen die Winkel für Einspritzung, Zündung und gegebenenfalls zur Ventilsteuerung für jeden Zylinder individuell. Bei Übereinstimmung erfolgt eine Reaktion, die entweder eine Ein- oder Ausschaltung eines Aktors bzw. eines Stellgliedes vornehmen kann. Damit ist mit absoluter Zuverlässigkeit und ohne Verzögerung eine Reaktion möglich.
Die Winkelvorgaben werden durch den Mikroprozessor 3 bestimmt. Es handelt sich um Vorgaben, die nahezu zeitunkritisch übertragen werden können. Ähnlich wird in umgekehrter Richtung die erzeugte Drehzahlinformation über den Rückkanal 19 an den Mikroprozessor 3 übermittelt.
2 zeigt stark schematisiert den Aufbau des Motorsteuerungssystems. Ausgehend von einem Zahnkranz 20 der Kurbelwelle 21, der eine 6°-Einteilung und zur Nullpunkterkennung eine Lücke aufweist, liefert der Sensor 2 elektrische Signale, deren zeitlicher Abstand in Form der Zählung von Taktimpulsen eines Taktgebers 22 bestimmbar ist. Der Taktgeber 22 ist als eine quarzstabilisierte Taktquelle (Clock Generation) ausgeführt.
In dem Nullpunktbestimmungs- und Takterzeugungsmodul 29 laufen nachfolgend beschriebene Vorgänge ab:
Zwischen zwei Impulsen bzw. Signalen des Sensors 2, die im Folgenden immer als positive Flanken angenommen werden und selbstverständlich auch als negative Flanken oder abwechselnd als positive oder negative Flanken angenommen werden können, wird die aktuelle Zeit in Form der Zählung von Taktimpulsen des Taktgebers 22 bestimmt.
Während der ersten Umdrehung der Kurbelwelle 21 wird in einem Nullpunkterkennungs-Funktionsblock 30 der Nullpunkt gesucht. Hierzu wird der aktuelle Wert vom Sensor 2 mit dem letzten Wert verglichen. Liegt dieser oberhalb einer Schwelle, wird dieser Ort als Nulllücke definiert und dadurch verifiziert, dass der nächste Wert wieder innerhalb der Schwelle liegt. Ist dies der Fall, wird beim Suchen der erste kleine Wert so gewertet, dass an dessen Ende ein Zahn 2 des Zahnkranzes 20 vorliegt, und der Zähler wird entsprechend auf den Wert 60 gesetzt. Bei allen folgenden Umdrehungen der Kurbelwelle 21 wird die Nullpunkterkennung in einem Nullpunktüberprüfungsfunktionsblock 31 verifiziert und gegebenenfalls korrigiert.
Aus dem gemessenen Zeitwert für den Abstand zweier Signale des Sensors 2 und gegebenenfalls aus vorhergehenden Werten wird in einem 6°-Signalerzeuger 32 eine Länge bis zu einem darauf folgenden Signal bzw. Impuls des Sensors 2 geschätzt und in einem 0,1°-Signalerzeuger 33 in 60 Teile eingeteilt. Dieser Teilungswert dient der Erzeugung von 0.1°-Impulsen bzw. Zwischenimpulsen.
Des Weiteren wird in einem Umdrehungsdrehzahlzähler 34 für jede Umdrehung der Kurbelwelle 21 eine Gesamtzeit bestimmt und über den Rückkanal 19 als reziproker Umdrehungsdrehzahlwert dem Mikroprozessor 3 zur Verfügung gestellt.
Zwischen dem Nullpunkterkennungs- und Takterzeugungsmodul 29 und dem Steuersignalgeneratormodul 15 ist das Zählermodul 17 angeordnet, in welchem von 0 bis 7199 in der nachfolgend beschriebenen Art und Weise hochgezählt wird. Das Zählmodul 17 erhält vom Funktionsblock 23 zwei Zählsignale und weitere Steuersignale. Das erste Zählsignal repräsentiert die 6°-Signalimpulse des Sensors 2, so dass das Zählmodul 17 sechzig Signale des Sensors 2 erhält. Bei jedem dieser Zählsignale bzw. Signale des Sensors 2 wird der Zähler des Zählmoduls 17 auf einen durch 60 teilbaren Wert gestellt, unabhängig davon, wie weit er vorher gelaufen ist. Durch diese Vorgehensweise wird alle 6° ein exakter Wert im Zählermodul 17 eingestellt. Mittels eines Steuersignals wird der Zähler des Zählermoduls 17 auf 0 gesetzt, wohingegen der Zähler des Zählermoduls 17 mittels eines weiteren Steuersignales auf 60 gesetzt wird, wobei letztgenanntes Steuersignal zum Setzen des Zählers auf den korrekten Wert bei der ersten Nullpunkterkennung dient.
Das zweite dem Zählermodul 17 zugeführte Zählsignal entspricht den im 0,1°-Signalerzeuger 33 generierten 0.1°-Zwischenimpulsen, wobei bei Vorliegen eines Zwischenimpulses das Zählsignal um einen Wert 1 inkrementiert wird. Allerdings erfolgt die Imkrementierung des zweiten Zählsignals jeweils nur bis zu dem Wert, der dem vorhergehenden, durch 60 teilbaren Zählwert + 59 entspricht. Liegt die Schätzung der 0.1°-Zwischenimpulse zu hoch, wird beim letzten Schritt gewartet, bis der exakte 6°-Signalimpuls des Sensors 2 vorliegt. Ist die Schätzung zu niedrig, macht der Zähler des Zählermoduls 17 bei Vorliegen des 6°-Signals des Sensors 2 einen Sprung um mehrere Werte.
Etwaige Sprünge im Zählwert werden durch die Logik in den Vergleichern bzw. in dem Komparator 16 des Steuersignalgeneratormoduls 15 ausgeglichen. Hier wird über spezielle Schaltungen ein Flipflop pro Kanal eingeschaltet, wenn der Einschaltwert 13 erreicht oder überschritten wurde, und ausgeschaltet, falls der entsprechende Ausschaltwert 14 erreicht oder überschritten wurde.
Impulsgenerierungen, Zähler, Vergleichsregister, Komparator und Signalregister zählen zu dem Teil, der gemäß der hier angestrebten Partionierung in einer Hardware der Motorsteuerung implementiert werden soll.
Damit das vorbeschriebene System und die darin enthaltenen Schätzungen von zeitlichen Parametern richtig auslegbar sind, sind einige Annahmen zu den auftretenden zeitlichen Parametern zu treffen. Hierbei ist es insbesondere die maximale Beschleunigung zwischen zwei Zähnen des Zahnkranzes 20 der Kur belwelle 21, die bestimmt werden muss, da hiervon – insbesondere bei linearer Interpolation – der Fehler des 0.1°-Zwischenimpulssignals abhängt.
Als maximale Beschleunigung wird angenommen, dass die Brennkraftmaschine von 1000 auf 6000 Umdrehungen pro Minute (UPM) innerhalb von 1 Umdrehung beschleunigen kann, dies entspricht einem Delta Δ von 5000 UPM, 83 U/s oder auch 5000 Zähnen/s (bei 60 Zähnen pro Umdrehung). Die Beschleunigungskurve wird dabei nicht linear verlaufen, sondern im mittleren Drehzahlbereich das Maximum annehmen, während im unteren und oberen Bereich nur geringere Beschleunigungen vorhanden sein werden, so dass die Beschleunigungskurve in Form einer S-förmigen Kurve vorliegt. Es wird angenommen, dass die maximale Beschleunigung tatsächlich um den Faktor 2 höher liegt, d. h. im Bereich von 3000 UPM bei einem tatsächlichen Wert von ca. 10000 Zähnen/s².
Dies bedeutet, dass bei linearer Schätzung des Zeitabstands zweier Zähne ein relativer Fehler von ca. 6% entsteht. Dieser Fehler liegt knapp oberhalb des angestrebten Maximalfehlers von 5 %. Es wird daher für vorliegend davon ausgegangen, dass die lineare Schätzung ausreichend genau ist.
In 3 sind das Steuersignalgeneratormodul 15, das Zählmodul 17 und das Nullpunktbestimmungs- und Taktsignalerzeugungsmodul 16 dargestellt, die den Teil der Schaltung der Motorsteuerung darstellen, innerhalb der die Generierung der Zeitbasis und der zeitbasisabhängigen Steuersignale erfolgt. Dabei lassen sich das Nullpunkterkennungs- und Taktsignalerzeugungsmodul, das Zählermodul und das Steuersignalgeneratormodul innerhalb der Hardware der Motorsteuerung partitionieren und bilden ein zusammenhängendes Komponentensystem.
Das Interface des Steuersystemes 1 wird eingangsseitig durch das Sensorsignal des Sensors 2 von der Kurbelwelle 21, welches 58 Takte und 2 Lücken pro Umdrehung der Kurbelwelle 21 aufweist und beliebig konfigurierbar ist, von der Nockenwelle 28 für die erste und zweite Umdrehung, den Takteingang des Taktgebers 22, welcher vorliegend mit 40 MHz angenommen wird, und das Interface zum Mikroprozessor 3 hin gebildet. Ausgangsseitig wird das Interface durch die generierten Kontrollsignale bzw. Steuersignale des Steuersignalgeneratormoduls 15 und ein weiteres Register, in dem ein über eine Umdrehung gemittelter Wert für die Laufzeit übergeben wird, gebildet. Letztgenannter Wert stellt ein reziprokes Maß für die Anzahl der Umdrehungen pro Minute dar.
In 2 und 3 ist jeweils nur ein Steuersignal als Ausgangssignal des Steuersignalgeneratormoduls 15 dargestellt, wobei in Realität mehrere Steuersignale von diesem Modul zur Motorsteuerung erzeugt werden.
Es ist aber auch realisierbar, dass ein Steuersignal von mehreren Registereinheiten angesteuert wird, um somit bei einem vollständigen Arbeitsspiel mehrfach die gleiche Aktion durchführen zu können. Als Beispiel sei hier die Ansteuerung eines Einspritzventils bei einem Dieselmotor genannt, womit eine Mehrfacheinspritzung realisierbar ist.
Eine wichtige Entscheidung betrifft das Design des Zählermodules 17 und der Vergleichslogik des Komparators 16. Prinzipiell könnte der Komparator 16 auf Gleichheit mit einem Vorgabewert konzipiert sein. Bei Wertgleichheit würde dann der entsprechende Einschaltwert 13 bzw. Ausschaltwert 14 erzeugt werden. Der Vergleich auf Gleichheit bedeutet jedoch auch, dass jeder Wert im Zählermodul auch zur Verfügung steht, weil ansonsten der entsprechende Impuls übersprungen werden könnte.
Die Alternative besteht darin, im Zählermodul 17 zur Korrektur auch Zählsprünge mit einem Abstand von mehr als 1 zuzulassen. Dies wird benötigt, wenn die Schätzung des Abstands der 0.1°-Zwischenimpulse zu groß wird, d. h., wenn nicht genügend Impulse zum Zählen erzeugt werden, bevor der 6°-Signalimpuls des Sensors 2 vorliegt, was beim Beschleunigen des Motors der Fall ist. Dies wird bei diesem Ansatz derart gelöst, dass der Zählwert des Zählermoduls 17 bei Vorliegen eines 6°-Signalimpulses des Sensors 2 wieder korrigiert wird, was jedoch einen größeren Sprung als "1" bedeutet.
Das alternative Zählerdesign des Zählermoduls 17 ist, dass der Vergleich im Komparator 16 auf "<=" anstatt auf Gleichheit zu erfolgen hat. Diese Vergleichseinheit ist mit etwas erhöhtem Hardwareaufwand realisierbar. Das Zählerdesign ist dann im Vergleich zu der erstbeschriebenen Alternative, bei dem der Komparator 16 auf Gleichheit konzipiert ist, etwas einfacher. Da der Zähler des Zählermoduls 17 nur eine Einheit aufweist, der Komparator 16 mit mehreren Einheiten ausgeführt ist, wäre es grundlegend ökonomischer, die erste Variante des Zählerdesigns zu wählen.
Vorliegend wird jedoch die zweite Alternative bevorzugt, weil dieses Design wesentlich stabiler ist. Der Vergleich auf Ungleichheit korrigiert jeden Zählersprung, auch ungewollte. Diese integrierte Korrektur erlaubt einen Betrieb bei mechatronischen Systemen, bei denen Steuerungsfehler Schäden hervorrufen würden – wie im Fall eines Verbrennungsmotors.
Das Nullpunktbestimmungs- und Taktsignalerzeugungsmodul 29 hat eine Reihe von Aufgaben zu erfüllen, die alle mit der Schaffung einer verlässlichen Zeit- bzw. Taktbasis zusammenhängen. Dementsprechend kann diese Einheit wieder in Teileinheiten gegliedert werden. Summarisch ergeben sich folgende Aufgaben:
Zunächst muss die Aufnahme der Sensorsignale bzw. der 6°-Signalimpulse des Sensors 2 sowie eine Synchronisierung mit dem Takteingang des Taktgebers 22 durchgeführt werden. Des Weiteren muss eine Detektierung des ersten Nulldurchgangs und eine daraus erfolgende Generierung so genannter Preset_2_x- bzw. Preset_2_0- und Preset_2_1-Signale hieraus erfolgen bzw. durchgeführt werden. Die Preset_2_x-Signale, die im Nullpunktüberprüfungsfunktionsblock 31 generiert werden und über einen Kanal 35 dem Zählermodul 17 als Eingangswert zugeführt werden, werden benötigt, um den später beschriebenen Zähler auf einen definierten Wert, entweder Zählerstand 60 oder 3660, zu setzen.
Des Weiteren muss eine Verifikation der weiteren Nulldurchgänge, d. h. eine Überprüfung, ob die voraussichtliche Lage des Nullpunkts auch tatsächlich stimmt, durchgeführt werden. Sollten sich hier Verschiebungen etwa durch Störungen ergeben, bietet sich bei jedem Umlauf der Kurbelwelle 21 bzw. der Nockenwelle eine Korrekturmöglichkeit an.
Darüber hinaus muss der 6°-Takt mit gefüllter Lücke und zusätzlichem Nulldurchgangssignal generiert werden und die Anzahl der 40 MHz-Takte zwischen zwei 6°-Takten zur augenblicklichen Geschwindigkeitsbestimmung gemessen werden.
Schließlich muss im Nullpunktbestimmungs- und Taktsignalerzeugungsmodul 29 die Generierung des 0.1°-Taktes der Zwi schensignale für den Zähler des Zählermoduls 17 generiert werden.
Die Synchronisierung des Sensorsignals mit dem Haupttakt (40 MHz) des Taktgebers 22 wird als wichtig angesehen, um in der weiteren Schaltung Metastabilitäten oder Verletzungen von Speicherbedingungen so weitgehend wie möglich auszuschließen. Derartige Verletzungen könnten zu falschen Werten, z.B. im Zähler, führen und damit ein unkontrolliertes Verhalten der Motorsteuerung und des Motors hervorrufen.
Die Synchronisierung der Signale des Sensors 2 wird mit einer in 4 dargestellten ersten Schaltung 36 durchgeführt, bei der eine maximale Verzögerung gegenüber dem Sensorsignal 50 ns beträgt. Die minimale Verzögerung beträgt 25 ns und eine Impulsbreite weist einen konstanten Wert von 50 ns auf.
Die zweite in 4 dargestellte Schaltung 37 dient zur Bestimmung der aktuellen Zeitspanne zwischen zwei Zähnen. Hier wird der Basistakt von 40 MHz entsprechend 25 ns Schwingungsdauer zugrunde gelegt, wobei auch davon abgeleitete Takte wie z.B. 10 MHz gewählt werden können. Soll eine Messung bis 100 UPM durchführbar sein, muss die Zählbreite bis 10 ms ausgelegt werden. Mit Reserve bedeutet dies 20 Bit Zählbreite bei 40 MHz, wobei in 5 das aktuell vorgeschlagene Zählerdesign wiedergegeben ist.
Ein gesättigter oder saturierender Zähler 38 zählt 40 MHz-Impulse, ohne dabei einen Überlauf zu produzieren. Dies ist erforderlich, um die Erzeugung falscher Werte zu verhindern, die scheinbar beim Überlauf entstehen könnten. Ein Zählwert, der dem Maximum entspricht, kann dann auch so interpretiert werden, dass sich der Motor nicht dreht bzw. eine zu geringe Drehzahl aufweist.
Das Zählerdesign ist speziell für eine spätere Operation der Division durch 60 ausgelegt. Hierzu wird in den unteren 6 Bits nur noch bis 60 und nicht bis 64 wie bei einem binären Zähler gezählt, und ein generierter Übergang dient dem Zählen in den oberen 14 Bits. Bei einer Zählfrequenz von 40 MHz bedeutet dies eine Dauer von 1.5 μs pro 60 Takten.
Ein Gültigkeitsbit 39 des gesättigten Zählers 25 zeigt an, ob überhaupt gezählt wurde. Beim ersten Durchgang wird an dieser Stelle der Wert 0 stehen, da dieser Wert durch einen so genannten Power-On-Reset 40 gesetzt wird. Bei jedem weiteren Durchgang stehen echte Werte im Zähler des Zählermoduls 17, so dass der Zählerwert dementsprechend genutzt werden kann. Der Reset durch das synchronisierte Zählersignal Sync_Sensor der Schaltung gemäß 4 wirkt nicht auf das Gültigkeitsbit 39 des gesättigten Zählers 38, sondern nur auf den Zählerstand. Tritt also ein Signal Sync_Sensor auf, dessen Erzeugung in 4 dargestellt ist, dann wird der Wert im Zählregister 41 (Count-Value-Register), das ebenfalls mit einem Gültigkeitsbit 42 versehen ist, gespeichert, der Taktzähler jedoch zurückgesetzt.
Aus den vorbeschriebenen Parameter-Schätzungen wurde abgeleitet, dass die Veränderungen der Durchlaufzeiten zwischen zwei Zähnen des Zahnkranzes 20 im Maximalfall < 6% sind. Dies bedeutet natürlich auch, dass die Erkennung des Nulldurchgangs, d.h. des fehlenden Zahns oder der fehlenden Zähne, relativ einfach sein wird.
Für die Nulldurchgangsdetektion wird jeder Zählwert des Zählregisters 41 auf die Anzahl relevanter Bits gekürzt. Bei einer Nenndrehzahl 6000 UPM beträgt der zeitliche Abstand 167 μs, der entsprechende minimale Zählwert also 6680 (als 12- Bit-Wert) bzw. 111 * 60 + 20. Lässt man also die unteren 10 Bits zur Detektion fort, dann ist der maximale Fehler < 13%. Der verbliebene 10-Bit-Wert wird mit sich selbst, verschoben um 1 Bit nach rechts (Division/2), addiert, so dass man den Vergleichswert ca. 1.5 * Zählwert erhält (* 3: Originalwert verschieben und mit altem wert addieren). Für den weiteren Verlauf lässt sich das in 6 dargestellte Ablaufdiagramm, das in Hardware zu integrieren ist, angeben.
Das Prinzip dieses Nulldurchgangsdetektors wird als Hardwarelösung aus gekoppelten Automaten bestehen. Einer hiervon verwaltet das Signal Zero_detect, das über seine Werte Aufschluss über den Zustand gibt. Bei der Detektion werden nur gültige Werte des Zählers berücksichtigt. Aus diesen wird wie beschrieben der Vergleichswert gewonnen und später gespeichert. Durch die späte Speicherung können ein neuer Wert und ein alter Vergleichswert miteinander verglichen werden.
Ist dieser Vergleich positiv, wird mit hoher Wahrscheinlichkeit angenommen, dass der Nullpunkt gefunden wurde, was vorliegend dem Wert Zero_detect = 2 entspricht. Dies wird dadurch verifiziert, dass der Vergleich beim nächsten Durchgang wieder negativ wird, was wiederum dem Wert Zero_detect = 3 entspricht. Dann wird kurzzeitig eines der Preset-Signale Preset_2_X (abhängig vom Stand der Nockenwelle) erzeugt. Im anderen Fall beginnt der Zyklus von vorne und das in 6 dargestellte Ablaufdiagramm wird erneut durchlaufen.
Um ein hohes Maß an Betriebssicherheit herzustellen, wird der Nulldurchgang bei jeder Umdrehung erneut verifiziert. Der Verifikationsmodus ist durch den Wert Zero_detect = 4 erkenntlich. Zusätzlich wird ein weiterer Zähler mit 6 Bits eingeführt, der die Anzahl der Zähne seit der letzten Nulldurchgangserkennung zählt. Dieser Zähler wird auf 1 gesetzt, wenn eines der Preset-Signale Preset 2 0 oder Preset 2 1 aktiv ist, auf 0 gesetzt, wenn ein echter Nulldurchgang verifiziert wird.
Tritt nun der Fall auf, dass dieser Zähler auf 57 steht und der Nulldurchgang durch die Verlängerung des Zahnabstands erkannt wird, gilt der Nulldurchgang als verifiziert. Abhängig von dem Signal der Nockenwelle, welches 0 oder 1 ist, wird ein neues Signal Reset in Richtung des Zählers bzw. des Zählermoduls 17 erzeugt, um diesen pro 2 Umdrehungen einmal definiert auf 0 zu setzen. Intern wird ein weiteres Reset-Signal für den Zahnzähler und den Umdrehungsdrehzahlzähler erzeugt.
Der Umdrehungsdrehzahlzähler läuft einfach mit dem Haupttakt von 40 MHz des Taktgebers 22 oder einem davon abgeleiteten Takt mit. Die genaue Definition erfolgt anhand der gewünschten Genauigkeit. Bei einem Reset wird der aktuelle Wert, der der Anzahl der Takte für eine Umdrehung entspricht, in ein Interface für den Mikroprozessor 3 gespeichert. Für die Aufwandsschätzung werden hier für beide Zähler 15 Bit plus einem Valid-Bit bzw. einem Gültigkeitsbit angenommen.
Ist die Nullpunktlage beim Zahnkranz 20 erkannt, was dem Wert Zero_detect = 4 entspricht, dann kann zwischen Zahn Nr. 58 und Zahn Nr. 1 des Zahnkranzes 20 linear interpoliert werden und somit zwei vollständige 6°-Signaltakte ausgegeben werden. Hierzu wird das Vergleichssignal, das den Zahnzähler mit dem Wert 57 vergleicht und bereits in der Nullpunktverifikation kreiert wurde, genutzt. Da für die Generierung des 0.1°-Zwischenimpulses bereits ein Zähler genutzt wird, der als Rückzähler eine Impulsbreite von etwa 6° im Rahmen des Schätzverfahrens erzeugt, kann die Verknüpfung dieser Signale genutzt werden, um die fehlenden Signale des nicht vorhandenen 59. und 60. Zahnes des Zahnkranzes 20 zu erzeugen.
Die Bestimmung der Impulsintervalle wurde bereits anhand der Darstellung gemäß 4 näher beschrieben, wobei der gemessene Wert ohne zusätzlichen Aufwand für die lineare Interpolation gewählt werden kann. Zur exakten Bestimmung muss dieser Wert durch 60 dividiert werden. Eine solche Division ist als Integer-Operation sehr einfach, da die unteren 6 Bits nur bis 60 zählen. Die Division entspricht dabei dem Fortlassen der unteren 6 Bits.
Der nachfolgend beschriebene Zähler dient der kontrollierten Zählung der 0.1°-Zwischenimpulse. Die Zählung selbst soll von 0 bis 7199 erfolgen, wobei im Einzelnen die folgend aufgeführten Vorgänge integriert sind, die in 7 dargestellt sind.
Bei einem Nulldurchgang, bei dem der Zahn 1 des Zahnkranzes 20 den Sensor 2 passiert und der Drehwinkel der Nockenwelle dem Wert 0 entspricht, werden der Zähler (Up-Counter) und das Zwischenregister (Register (13 Bit)) auf 0 gesetzt. Das Reset-Signal wird durch die Verifikation des Nulldurchgangs erzeugt.
Wird der Wert Null detektiert, werden der Zähler und das Zwischenregister mit Hilfe der Signale Preset_2_0 oder Preset_2_1 auf 60 bzw. 3660 gesetzt. Hier beginnt dann die Zählung der 0.1°-Zwischenimpulse.
Bei jedem 6°-Impuls wird das Zwischenregister (44) neu gesetzt, ansonsten bleibt dies konstant. Aus diesem Wert wird der nächste, durch 60 teilbare Wert durch Addition berechnet.
Bei jedem 0.1°-Impuls wird der Hauptzähler inkrementiert, es sei denn, der nächste Wert wäre durch 60 teilbar. In diesem Fall wird der Zähler gestoppt, bis ein 6°-Impuls vorliegt. Dieser Impuls speichert in jedem Fall den durch 60 teilbaren Wert im Zählregister.
Nachfolgend wird näher auf das Steuersignalgeneratormodul 15 eingegangen, das das Interface zum Mikroprozessor 3 bildet, wobei dieser zum Laden neuer Steuerwerte in die Register aus Sicht des Mikroprozessor 3 schreibend ist. Des Weiteren werden vom dem Steuersignalgeneratormodul 15 die Steuersignale in Abhängigkeit von den Steuerwerten des Mikroprozessors 3 und des aktuellen Zählerstandes des 0.1°-Zählers generiert. Zusätzlich werden die Steuersignale in den Registerbaugruppen 18 gespeichert.
Die in 8 gezeigte Darstellung betrifft ausschließlich die Erzeugung und Speicherung der Steuersignale des Steuersignalgeneratormoduls 15. Der Einschaltwert ist im On-Register 45 als 13-Bit-Wert gespeichert, wobei der Ausschaltwert im Off-Register 46 als 14-Bit-Wert gespeichert ist. Das zusätzliche Bit ist notwendig, falls eine Art Überlauf eintreten muss. Liegt beispielsweise der Einschaltwert, dessen erlaubter Wertebereich zwischen 0 und 7199 liegt, relativ nahe an dem Wert 7199, der Ausschaltwert, der als 13-Bit-Wert vorliegt, dann nahe bei 0, so sind dies natürlich erlaubte Werte. Um die Auswertung im IC zu erleichtern, muss in diesem Fall der Ausschaltwert um Bit 13 = 1 erhöht werden.
Mit diesem eigentlich nicht zulässigen Wert ist es dann möglich, eine einfache Vergleicherhardware und damit Steuersignalgenerierung (C_S) aufzubauen. Die Generierung des zusätzlichen Bits erfolgt in der Zugriffslogik. Das Steuersignal wird dann mit dem Haupttakt im Datenregister gespeichert. Die Verwendung anderer Registerarten wie RS- oder Toggle-Flipflop ist natürlich ebenfalls möglich. Aus den Vergleichern bzw. Komparatoren werden optional drei Signale erzeugt. Als erstes Signal C_S_in, als zweites Signal, ob der entsprechende Vergleich aktuell aktiv ist, d. h. vorliegend = '1' ist, oder als drittes Signal, ob der entsprechende Vergleich aktuell inaktiv ist.
Das Interface zum Mikrocontroller, d.h. zum Mikroprozessor benötigt Adress- und Datenleitungen, Steuerleitungen und insbesondere eine interne Decodierung. Hierfür sind – bei einem angenommenen 16-Bit-Interface – 20 Logikzellen entsprechend 5 CLBs ausreichend. Dies bezieht sich auf die Verwendung von FPGAs (Field Programmable Gate Arrays), welche als programmierbare Logik eingesetzt werden können. Diese FPGAs sind häufig aus kleinen Blöcken (CLB: Configurable Logic Block) mit z.B. 4 Eingängen, einem Ausgang und einer vorgebbaren Funktion zwischen den Eingängen und dem Ausgang aufgebaut.
Ein besonderes Problem tritt noch auf, wenn das Setzen der Steuerregister (On_Reg, Off_Reg) gesichert sein soll. Hierzu muss entweder der Mikrocontroller in der Lage sein, den inaktiven Zustand zu erkennen, oder die Hardware muss dies selbst vornehmen. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn das Interface in der Datenbreite kleiner ist als die Registerbreite, denn dann könnten die Register nicht in einem Vorgang geladen werden, und Seiteneffekte wären nicht auszuschließen.
Es wird daher vorgeschlagen, ein selbst-kontrollierendes Interface einzubauen. Aus Sicht des Mikrocontrollers 3 bedeutet dies, dass zwei Register mit Daten, aktuell á 13 Bit, hier angenommen á 16 Bit und eines mit einer Kanalnummer, angenommen á 16 Bit, zu beschreiben sind.
Das Interface hat folgende Eigenschaften: Mit dem Schreiben der Kanalnummer wird automatisch ein Aktivitätsbit im Adressregister auf '1' gesetzt. Dieses Aktivitätsbit zeigt der Interfacehardware an, dass neue Daten vorliegen. Die Hardware kontrolliert dann das Signal C S in.
Bei aktivem Vergleich, der in 9 dargestellt ist, wird bis zum Ausschalten gewartet, ansonsten werden die Werte in die Vergleicher bzw. Vergleichsregister 47, 48 geschrieben. Beim Einschreiben werden noch On- und Off-Werte miteinander verglichen und das Bit 13 des Off-Registers 48 entsprechend gesetzt. Zugleich wird das Aktivitätsbit gelöscht, das vom Mikroprozessor 3 aus gelesen werden kann. Der Mikrocontroller 3 kann dann den nächsten Wert setzen.
Die Weiterentwicklung des Ansatzes der intelligenten Sensorik führt zu einer aktiven Sensorik. Im Rahmen dieser Weiterentwicklung werden die Fähigkeiten eines intelligenten Sensors – Signale zu formen, aufzubereiten und zu Informationen zu verarbeiten – im Rahmen dieses neuen Konzepts ergänzt durch einfache Verarbeitungsvorgänge innerhalb des Sensors. Diese Verarbeitung erzeugt Ausgangssignale, die direkt auf einen Aktor bzw. ein Stellglied wirken.
Als Beispiel dient eine intelligente Einheit zur zylinderindividuellen Erzeugung der Steuerzeiten für Ventile, Einspritzung und Zündung eines Verbrennungsmotors.
Die Herstellung der präzisen Zeit- bzw. Winkelbasis und der darauf aufbauende Algorithmus ist einfach und wird nur mit wenigen Fallunterscheidungen durchlaufen. Deshalb bietet sich eine vollständige Implementierung dieses Teils in Hardware an. Der eigentliche Steueralgorithmus ist hingegen tabellen- und wertegesteuert und damit sehr irregulär. Hierfür werden viele Fallunterscheidungen durchgeführt, Tabellenwerte sind einzulesen, zu verrechnen und auszugeben. Diese sind wesentlich besser in mikroprozessor-basierten Systemen zu integrieren. Andererseits haben gerade diese Systeme Probleme mit der besonders zeitgenauen Bearbeitung, da ein Mikroprozessor zu einem Zeitpunkt nur einen Befehlsstrang bearbeiten kann.
Für die Implementierung bietet sich damit eine reale Partionierung und Integration des Zeitbasisprogramms in Hardware, des Steuerprogramms in Software an. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Systems liegt deutlich darin, dass die Vorteile beider Möglichkeiten optimal genutzt werden. Der Mikrocontroller wird durch die Herausnahme des Zeitbasisprogramms derart stark entlastet, dass hier in der Regel ein wesentlich kleinerer Typ als bei aus der Praxis bekannten Systemen gewählt werden kann. Die durch die zusätzliche Hardware entstehenden Mehrkosten sind derart gering, dass insgesamt ein Nettoeffekt einer Kostenverringerung bei drastischer Erhöhung der Präzision erzielt wird.
Durch die Aufteilung in Hard- und Software wird die Komplexität verringert. Ungewollte Seiteneinflüsse durch verschachtelte Task-Aufrufe in einem Prozessor werden vermieden. Dadurch kann im Entwicklungsprozess und insbesondere in der Testphase erheblich Zeit eingespart werden. Das Ergebnis ist eine robuste und in allen Einsatzbereichen zuverlässig funktionierende Motorsteuerung.

Claims

Steuersystem (1) zum Erzeugen von Steuersignalen für Stellglieder, insbesondere für Stellglieder von Brennkraftmaschinen, in Abhängigkeit von zeitkritischen Signalen eines Sensors (2) zum Erfassen von Drehwinkeln eines rotierenden Bauteils (21), dadurch gekennzeichnet, dass ein Nullpunkterkennungs- und Taktsignalerzeugungsmodul (29), ein Zählermodul (17) und ein Steuersignalgeneratormodul (15) als mit einem Mikroprozessor (3) verknüpftes zusammenhängendes Komponentensystem vorgesehen sind.
Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das rotierende Bauteil (21) mit einem Zahnkranz (20) ausgebildet ist, dessen Zähne über den Umfang des Bauteils (21) gleichmäßig verteilt angeordnet sind, wobei zur Nullpunkterkennung zwischen zwei Zähnen des Zahnkranzes (20) ein Abstand vorgesehen ist, der sich von den Abständen zwischen weiteren Zähnen unterscheidet.
Steuersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Zähnen des Zahnkranzes (20) die zur Nullpunktbestimmung vorgesehen sind, ein Winkel von 18 Grad vorgesehen ist, und der Abstand zwischen den Zähnen des Zahnkranzes (20) ansonsten 6 Grad ist.
Steuersystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Sensor (2) ein Signal generiert wird, wenn ein Zahn des Zahnkranzes (20) an einem sensitiven Bereich des Sensors (2) vorbeigeführt wird.
Steuersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignalgeneratormodul (15) eine Registerbaugruppe und einen Komparator (16) aufweist, wobei in der Registerbaugruppe Winkelwerte ablegbar sind, die im Komparator (16) mit über den Sensor (2) ermittelten Drehwinkelwerten vergleichbar sind, und wobei bei Vorliegen eines Drehwinkelwertes des Sensors (2), der von einem Drehwinkel der Registerbaugruppe um einen Betrag abweicht, der kleiner als ein Schwellwert ist, von dem Steuersignalgeneratormodul (15) ein Steuersignal generiert wird.
Steuersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelwerte der Registerbaugruppe über ein Steuergerät einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeuges ermittelbar sind.
Steuersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuersignale Einschaltsignale für ein Einspritzsystem (11) und/oder ein Zündsystem (12) der Brennkraftmaschine sind.
Steuersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zeitregister vorgesehen ist, in welchem diskrete Zeitwerte ablegbar sind, die jeweils eine Dauer repräsentieren, während der von dem Steuersignalgeneratormodul (15) ein Steuersignal generiert wird.
Steuersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuersignale des Steuersignalgeneratormoduls (15) bei Vorliegen diskreter und über den Sensor (2) ermittelter Drehwinkel deaktiviert werden.
Steuersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das in dem Nullpunkterkennungs- und Taktsignalerzeugungsmodul (29) anhand elektrischer Signale des Sensors (2) und in Abhängigkeit kontinuierlicher Taktimpulse eines Taktgebers (22) zur Untersetzung der Signale des Sensors (2) zwischen zwei Signalen des Sensors (2) eine vordefinierte Anzahl von Zwischenimpulsen generierbar sind, die jeweils mit einem bestimmten Drehwinkel des rotierenden Bauteils (21) korrespondieren.
Steuersystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Zählermodul (17) jeweils eine Anzahl an Signalen des Sensors (2) und Zwischenimpulsen ermittelbar sind, wobei die Ermittlung der Anzahl der Zwischenimpulse bei Erreichen der vordefinierten Anzahl der Zwischenimpulse beendet wird und bei Eingang eines Signals des Sensors (2) wieder bei Null begonnen wird.
Steuersystem nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Anzahl der Zwischenimpulse mit Eingang eines Signals des Sensors (2) beendet und bei Null neu begonnen wird.
Verfahren zum Steuern von Stellgliedern, insbesondere von Stellgliedern einer Brennkraftmaschine, in Abhängigkeit von zeitkritischen Signalen eines Sensors (2) zum Erfassen von Drehwinkeln eines rotierenden Bauteils (21), dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit eines auf Basis von aktuell vorliegenden Drehwinkelinformationen des Sensors (2) zu erwartende Winkelinformationen des Bauteils abgebildet werden, anhand denen die Steuersignale in mit dem Mikroprozessor (3) verknüpften dezentralen Komponenten (15, 17, 29) generiert werden.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine dezentrale Komponente als ein Nullpunkterkennungs- und Taktsignalerzeugungsmodul (29) ausgeführt ist, in dem zwischen zwei Signalen des Sensors (2) eine aktuelle Zeit in Form einer Zählung von Taktimpulsen eines Taktgebers (22) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass im Nullpunkterkennungs- und Taktsignalerzeugungsmodul (29) während einer ersten Umdrehung des rotierenden Bauteils (21) eine Nullpunktbestimmung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass im Nullpunkterkennungs- und Taktsignalerzeugungsmodul (29) bei den folgenden Umdrehungen des rotierenden Bauteils (21) die Nullpunktbestimmung verifiziert und bei Erkennen einer Abweichung korrigiert wird.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Nullpunktbestimmung im Nullpunkterkennungs- und Taktsignalerzeugungsmodul (29) für jede Umdrehung des rotierenden Bauteils (21) eine Gesamtzeit bestimmt wird, die als reziproker Umdrehungsdrehzahlwert dem Mikroprozessor (3) als Eingangswert zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass im Nullpunkterkennungs- und Taktsignalerzeugungsmodul (16) in Abhängigkeit eines gemessenen und mit dem Abstand zwischen zwei Impulsgebern des Bauteils (21) für den Sensor (2) und der Drehgeschwindigkeit des Bauteils (21) korrespondierenden Zeitwertes ein Zeitwert bis zum nächsten Signal des Sensors (2) geschätzt wird, wobei dieser geschätzte Zeitwert in eine vordefinierte Anzahl gleicher Zeiträume, vorzugsweise in 60 gleiche Teile, aufgeteilt wird, und wobei für jeden dieser Zeiträume ein Zwischenimpuls generiert wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine dezentrale Komponente als ein Zählermodul (17) ausgebildet ist, in dem eine Gesamtanzahl der Zwischenimpulse für eine oder mehrere Umdrehungen des rotierenden Bauteils (21) bestimmt wird, wobei das Zählermodul (17) bei jedem Zwischenimpuls um den Wert Eins inkrementiert wird und bei jedem Signal des Sensors (2) jeweils unab hängig von der tatsächlich zwischen zwei Signalen des Sensors (2) ermittelten Anzahl an Zwischenimpulsen auf den vordefinierten Wert der Anzahl der Zwischenimpulse gesetzt wird, und wobei die gesetzten Werte jeweils über ein oder mehrere Umdrehungen des rotierenden Bauteils (21) aufsummiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Veränderung der Drehgeschwindigkeit des rotierenden Bauteils (21) auftretende Zählsprünge bei der Ermittlung der Anzahl der Zwischenimpulse in einer als Steuersignalgeneratormodul (15) ausgeführten dezentralen Einheit dadurch ausgeglichen werden, dass von dem Steuersignalgeneratormodul (15) ein Steuersignal ausgegeben wird, wenn ein Einschaltwert (13) für die Ansteuerung eines Stellgliedes erreicht oder überschritten ist, oder das Steuersignal deaktiviert wird, wenn ein Ausschaltwert (14) erreicht oder überschritten wird.