-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines simulierten Gebersignalverlaufs für eine Markierungslücke einer Geberscheibe, insbesondere einer Geberscheibe, die mit einer Brennkraftmaschine gekoppelt ist, wobei die Geberscheibe eine Markierung durch abwechselnde Anordnung von Zähnen und Zahnlücken aufweist und die Markierungslücke durch eine vergrößerte Zahnlücke oder einen vergrößerten Zahn gebildet ist, und wobei der Geberscheibe wenigstens ein Geber zugeordnet ist, der ein elektrisches Signal erzeugen kann, das mindestens zwei Signalpegel annehmen kann, wobei einer der Signalpegel einem Zahn und der andere einer Zahnlücke zugeordnet ist, und wobei für die Markierungslücke aus dem Signalverlauf des von dem Geber erzeugten Signals ein Gebersignalverlauf simuliert wird. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Brennkraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens.
-
Für die Steuerung von Verbrennungskraftmaschinen ist die Bestimmung des Kurbelwellenwinkels eine der zentralen Aufgaben. Bekannte Lösungen verwenden inkrementelle Geber an Kurbel- und Nockenwelle. Üblich sind Geberscheiben mit Inkrementmarken in Form einer abwechselnden Anordnung von Zähnen und Zahnlücken auf der Geberscheibe, die im Zusammenwirken der Signale von Kurbel- und Nockenwelle eine Bestimmung der Motorposition in bezug auf eine ausgewiesene Nullstellung der Kurbelwelle (Nullmarkierung) ermöglichen. Dieser Nullstellung ist auf bekannten Geberscheiben eine Markierungslücke zugeordnet, die in der Regel die Form eines vergrößerten Zahnabstands zwischen zwei Zähnen aufweist, aber auch die Form eines vergrößerten Zahns aufweisen kann. Bei Rotation der Kurbelwelle und damit Geberscheibe werden die Zähne an den Gebern vorbeigeführt, wodurch elektrische Signale in den Gebern ausgelöst werden, die zur Bestimmung des Kurbelwellenwinkels und letztlich für die Steuerung und Regelung des Brennkraftmotors verwendet werden. Da bei Vorbeiführen der Markierungslücke von den Gebern keine Signaländerungen ausgegeben werden können, die Steuerung und Regelung des Brennkraftmotors jedoch auch für den Winkelabschnitt der Markierungslücke Signaländerungen benötigt, ist es bekannt, simulierte Gebersignalverläufe aus dem Signalverlauf der Zähne und Zahnlücken, die der Markierungslücke folgen, zu approximieren.
-
Die Einbeziehung von simulierten Gebersignalverläufen in die Steuerung und Regelung eines Brennkraftmotors ist beispielsweise aus der
DE 43 13 331 A1 bekannt. In dem dort beschriebenen Verfahren wird eine Geberscheibe in Form eines rotierendes Teils von zwei Gebern erfasst, wobei nach Erkennung des nicht ordnungsgemäßen Auftretens von Gebersignalen in Form von Winkelmarkensignalen ein Notlauf gestartet wird, in dem aus der zeitlichen Abfolge der Signale des zweiten Gebers erste und zweite Werte zur Simulation von Winkelmarkensignalen berechnet werden.
-
Aus der
DE 101 08 334 C2 ist ein Kurbelwellenstellungssensor bekannt. Dabei wird ausgehend von einem Geberrad mit 2n Zähnen und 2n Spalten ein Geberrad mit n Zähnen und n Spalten simuliert.
-
Aus der
EP 0 668 964 B1 ist eine Einrichtung zur elektronischen Nachbildung eines Geberrades, das Zähne, Zahnlücken und eine Markierungslücke aufweist, bekannt. Dabei ist ein Sensor offenbart, der Zahnflanken erkennt. Ausgehend von einer erkannten Markierungslücke wird ein erster Zähler zurückgesetzt, der die durch den Sensor erkannten Flanken nach Auftreten der Markierungslücke zählt. Ein zweiter Zähler wird durch eine erkannte Flanke gestartet und durch eine darauffolgende Flanke gestoppt. Ein dritter Zähler wird mit dem letzten Zählerstand des zweiten Zählers gestartet und zählt ausgehend davon so oft auf Null, bis eine neu erkannte Zahnflanke den dritten Zähler stoppt. Jedes Mal, wenn der dritte Zähler bei Null angekommen ist, wird ein Grundtakt C0 erzeugt, der an eine Winkeluhr übergeben wird.
-
Aus der
DE 41 41 714 C2 ist ein Steuersystem für eine Brennkraftmaschine bekannt. Dabei wird bei einem Ausfall eines Kurbelwellensensors ein Kurbelwellengebersignal auf Basis eines Nockenwellengebersignals simuliert.
-
Aus der
DE 101 20 799 A1 ist ein Verfahren zur Synchronisierung einer Verbrennungskraftmaschine anhand der Winkellage eines rotierenden Teils bekannt.
-
Aus der
DE 195 40 674 C2 ist ein Adaptionsverfahren zur Korrektur von Toleranzen eines Geberrades bekannt.
-
Probleme des Standes der Technik
-
Die Funktionen der Steuerung und Regelung von Brennkraftmotoren benötigen die von den Gebern erzeugten Signale in der Regel unmittelbar nach ihrer Erzeugung. Dies gilt insbesondere für die Stellung der Kurbelwelle, die eine wesentliche Größe für die Steuerung und Regelung des Brennkraftmotors darstellt. Da jedoch beim Vorbeiführen der Markierungslücke keine Signaländerungen erzeugt werden, kann nur auf die oben beschriebenen simulierten Gebersignalverläufe zurückgegriffen werden. Die der Markierungslücke folgenden Zähne werden jedoch zeitlich erst nach Vorbeiführung der Markierungslücke an dem verwendeten Geber erzeugt und stehen daher für die Dauer der Vorbeiführung nicht zur Verfügung. Dies ist insbesondere für die oben beschriebenen Funktionen, welche die Signale unmittelbar nach ihrer Erzeugung benötigen, im Hinblick auf eine optimale Steuerung und Regelung von Nachteil. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, mit dem auch für die Dauer der Vorbeiführung der Markierungslücke an dem Geber ein simulierter Gebersignalverlauf bereitgestellt werden kann.
-
Vorteile der Erfindung
-
Das eingangs genannte Problem wird gelöst durch ein Verfahren zur Erzeugung eines simulierten Gebersignalverlaufs für eine Markierungslücke einer Geberscheibe, insbesondere einer Geberscheibe, die mit einer Brennkraftmaschine gekoppelt ist, wobei die Geberscheibe eine Markierung durch abwechselnde Anordnung von Zähnen und Zahnlücken aufweist und die Markierungslücke durch eine vergrößerte Zahnlücke oder einen vergrößerten Zahn gebildet ist, und wobei der Geberscheibe wenigstens ein Geber zugeordnet ist, der ein elektrisches Signal erzeugen kann, das mindestens zwei Signalpegel annehmen kann, wobei einer der Signalpegel einem Zahn und der andere einer Zahnlücke zugeordnet ist, und wobei für die Markierungslücke aus dem Signalverlauf des von dem Geber erzeugten Signals ein Gebersignalverlauf simuliert wird, wobei für die Simulation der zeitlich vor der Markierungslücke liegende Signalverlauf verwendet wird. Insbesondere ist vorgesehen, dass für die Simulation ausschließleich der vor der Markierungslücke liegende Signalverlauf verwendet wird, also nicht der nach der Markierungslücke liegende Signalverlauf. Statt Zähnen und Zahnlücken können hier auch andere optische, geometrische, magnetische oder sonstige Markierungen in Verbindung mit einem geeigneten Geber verwendet werden.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Erzeugung von simulierten Gebersignalverläufen auch für die Dauer der Vorbeiführung der Markierungslücke an dem Geber, die somit, wie die von realen Zähne erzeugen Signalverläufe, unmittelbar für die Steuerung und Regelung des Brennkraftmotors zur Verfügung stehen.
-
Bei einer Weiterbildung des Verfahrens wird für die Simulation des Gebersignalverlaufs ein Regressionsverfahren verwendet, wobei für die Approximation vorzugsweise der zeitlich vor der Markierungslücke liegende Signalverlauf von mehreren, beispielsweise vier oder fünf, aufeinanderfolgenden Zähnen und Zahnlücken verwendet wird. Das Regressionsverfahren ist in einer bevorzugten Ausführungsform ein lineares Regressionsverfahren. Die aus der Verwendung des linearen Regressionsverfahrens resultierenden Regressionskoeffizienten werden für die Berechnung der Zeitdauern der Signalpegel des simulierten Gebersignals und deren Position in der Markierungslücke verwendet. Insgesamt betrachtet können daher durch Anwendung des linearen Regressionsverfahrens simulierte Gebersignalverläufe für die Markierungslücke erzeugt werden, welche aufgrund der verwendeten linearen Regression gute Annäherungen an die Situation ohne Markierungslücken darstellen.
-
Das eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch ein Steuergerät insbesondere für eine Brennkraftmaschine mit einer Geberscheibe, die mit einer Welle der Brennkraftmaschine gekoppelt ist, wobei die Geberscheibe eine Markierung durch abwechselnde Anordnung von Zähnen und Zahnlücken und ferner eine Markierungslücke, die durch eine vergrößerte Zahnlücke oder einen vergrößerten Zahn gebildet ist, aufweist, und wobei der Geberscheibe wenigstens ein Geber zugeordnet ist, der jeweils ein elektrisches Signal erzeugen kann, das mindestens zwei Signalpegel annehmen kann, wobei einer der Signalpegel einem Zahn und der andere einer Zahnlücke zugeordnet ist, und wobei für die Markierungslücke aus dem Signalverlauf des von dem Geber erzeugten Signals ein Gebersignalverlauf simuliert wird, wobei für die Simulation der zeitlich vor der Markierungslücke liegende Signalverlauf verwendet wird.
-
Zeichnungen
-
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
-
1 eine Skizze von Geberscheibe und Geber;
-
2 eine Skizze des Signalverlaufs des Gebers bei einer Geberscheibe mit einer Markierungslücke;
-
3 eine schematisches Verfahrensdiagramm zur Approximation eines simulierten Gebersignalverlaufs für eine Markierungslücke.
-
1 zeigt eine Skizze mit einer Geberscheibe 1, die beispielsweise unmittelbar an einer Kurbelwelle oder Nockenwelle einer Brennkraftmaschine angeordnet ist oder mittelbar mittels Getriebelementen bezüglich der Rotation mit der Nockenwelle verbunden ist. Die Geberscheibe 1 rotiert um eine Achse 2. Am Außenumfang der Geberscheibe 1 sind Markierungen 3 angeordnet. Die Markierungen bestehen beispielsweise aus Zähnen 4, die über dem Außenumfang der Geberscheibe 1 angeordnet sind. Zwischen den Zähnen sind jeweils Zahnlücken 7 angeordnet. Eine Markierungslücke 5 in Form eines größeren Zahnabstands zwischen zwei Zähnen markiert eine ausgewiesene Nullstellung der Kurbelwelle.
-
Ein Zahn 4 sowie die benachbarte Zahnlücke 7 verlaufen jeweils über einem Umfangswinkel von etwa 6°
-
An der Geberscheibe 1 ist ein Geber 6 angeordnet. Bei einer Rotation der Kurbelwelle und damit der Geberscheibe 1 werden die Zähne 4 an dem Geber 6 vorbeigeführt. Dadurch wird beispielsweise ein elektrisches Signal in dem Geber 6 ausgelöst. Der Geber 6 kann ein Hall-Effekt-Sensor, ein anisotrop magnetoresistiver Sensor (AMR-Sensor), induktiver oder kapazitiver Sensor oder dergleichen sein. Alternativ kann dieser auch optisch arbeiten, z. B. indem durch die Zähne 4 hervorgerufene optische Veränderungen gemessen werden.
-
Die 2 zeigt schematisch einen Signalverlauf S des Gebers 6 über der Zeit. Das abwechselnde Vorbeiführen von Zähnen 4 und Zahnlücken 7 erzeugt bei dem Signalverlauf S ein rechteckförmiges Signal, welches die Werte „High” sowie „Low” annimmt, wobei in dem dargestellten Beispiel der Wert „High” einem Zahn 4 und der Wert „Low” einer Zahnlücke 7 zugeordnet ist. Der Übergang von „Low” zu „High” wird als aufsteigende Flanke 8, der Übergang von „High” zu „Low” als absteigende Flanke 9 bezeichnet.
-
Der gegenüber den übrigen Signalabschnitten längere „Low”-Pegel-Abschnitt am rechten Ende des dargestellten Signalsverlaufs S entspricht der Vorbeiführung der Markierungslücke 5 an dem Geber 6, wobei vorliegend die Markierungslücke 5 der Geberscheibe 1 durch „Weglassen” von zwei Zähnen 4 gebildet ist. Die Zahlen der oberen Zahlenreihe 10 sind die Zeitpunkte, gemessen in Zählwerten eines Zählers (nicht dargestellt), der absteigenden Flanken 9. Also die Zeitpunkte, zu denen der Übergang von „High” zu „Low” erfolgt.
-
Die absteigenden Flanken 9 werden bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel als Interruptbefehl verwendet und an einen Prozessor (nicht dargestellt) des Ausführungsbeispiels übertragen, der unter anderem für die Verarbeitung der ihm zugeführten Gebersignale mittels einer auf ihm ablaufenden Software vorgesehen ist. Mit Erhalt des Interruptbefehls in Form der absteigenden Flanke 9 unterbricht der Prozessor seine aktuellen Berechnungen und list den Zählwert des Zählers aus. Da beim Vorbeiführen der Markierungslücke an dem Geber 6 von diesem keine Signaländerung und damit auch kein Interruptbefehl ausgegeben werden kann, die Steuerung und Regelung des Brennkraftmotors jedoch auch für die Markierungslücke 5 Signaländerungen benötigt, werden simulierte Gebersignalverläufe 11 in Form von „virtuellen Zähnen” 13 aus dem vorangehenden Signalverlauf S approximiert. Diese Approximation wird im folgenden anhand des in 3 dargestellten Verfahrensdiagramms in Verbindung mit 2 beschrieben
-
Als Eingangsgrößen für die Approximation dienen vorliegend die mittels des Zählers ermittelten Zeitpunkte der absteigenden Flanken 9 (vgl. Zahlenreihe 10 in 2) der letzten vier Zähne 4 vor der Markierungslücke 5, wobei für die Dauer dieser vier Zähne 4 von einem parabolischem Drehzahlverlauf ausgegangen wird. Hierbei ist die Berücksichtigung von vier vorangehenden Zähne 4 vorteilhaft, da zum einen die Annahme des parabolischen Drehzahlverlaufs für diesen Wertebereich gilt und zum anderen die Genauigkeit der Approximation noch hinreichend groß ist. Insgesamt betrachtet stellt daher vorliegend eine Anzahl von vier oder alternativ von fünf berücksichtigten Zähnen 4 einen guten Kompromiss dar.
-
Aus diesen Zeitpunkten der absteigenden Flanken 9 der vier vorangehenden Zähne 4 werden zunächst Zahndauern (vgl. Zahlenreihe 12 in 2) berechnet und abgespeichert (vgl. auch Schritte S1 und S2 in 3), wobei die Zahndauern die in Zählwerten des verwendeten Zählers gemessenen Zeiten zwischen zwei aufeinanderfolgenden absteigenden Flanken 9 sind. Anschließend wird in Schritt S3 der Verlauf der Zahndauern durch Bildung von Differenzen linearisiert und in eine Geradengleichung der Form y = c1·x + c0 approximiert, wobei in diesem Ausführungsbeispiel x eine geradzahlige Indizierung der jeweils vor der Markierungslücke 5 liegenden Zähne 4 ist (mit x = 4 ist also der letzte Zahn vor der Markierungslücke 5 indiziert, da in diesem Ausführungsbeispiel insgesamt die letzten vier vor der Markierungslücke 5 liegenden Zähne in die Berechnung einbezogen werden; mit x = 3 ist dementsprechend der vorletzte Zahn 4 vor der Markierungslücke 5 indiziert usw.). Y ist die den berücksichtigten vier Zähnen 4 (x = 1 bis x = 4) jeweils zugeordnete Zahndauer. Die aus der Linearisierung ermittelten Regressionskoeffizienten c0 und c1 werden schließlich abgespeichert.
-
Die Regressionskoeffizienten c1 und c0 werden nach der bekannten Gleichung
berechnet, wobei N die Gesamtzahl der zugrundegelegten Stützwerte ist, die vorliegend der Gesamtzahl der berücksichtigten Zähne
4 entspricht (also N = 4). Bei dieser Approximation werden auch die im Signal enthaltenen Störungen (verursacht durch mechanische Toleranzen und Schwingungen) teilweise kompensiert. Die Berechnungen von c0 und c1 lassen sich erheblich vereinfachen, wenn, wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel, N bekannt und konstant ist und x nur Werte von 1 bis N annimmt.
-
Für N = 4 ergibt sich beispielsweise für c0 und c1:
-
Diese Gleichungen können im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit wenigen Assemblerbefehlen ressourcenschonend codiert werden.
-
Mit den in Schritt S3 abgespeicherten Regressionskoeffizienten c0 und c1, für die die Werte 67 und –22 ermittelt wurden, und der entsprechenden Geradengleichung y = c1·x + c0 werden anschließend in Schritt S4 die Zahndauerdifferenzen D1 und D2 (vgl. Zahlenreihe 14 in 2) der zueinander benachbarten virtuellen Zähne 13 wie folgt extrapoliert (vgl. auch Schritt S4 in 3): D1 = c1·5 + c0 = –43; D2 = c1·6 + c0 = –65
-
Aus diesen extrapolierten Zahndauerdifferenzen lassen sich dann die Zahndauern T1, T2 und die Zeitpunkte Z1, Z2 der absteigenden Flanken
9 der virtuellen Zähne
13 wie folgt berechnen (vgl. auch Schritt S5 in
3):
-
Insgesamt betrachtet können daher durch das hier beschriebene Näherungsverfahren simulierte Gebersignalverläufe 11 in Form von „virtuellen Zähnen” 13 für die Markierungslücke 5 erzeugt werden, welche aufgrund der verwendeten linearen Regression gute Annäherungen an die Situation ohne Markierungslücken darstellen.
-
Da für die Approximation auf den Signalverlauf zeitlich vor der Markierungslücke liegender Zähne 4 bzw. Zahnlücken 7 zurückgegriffen wird, können mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens virtuelle Zähne 13 erzeugt werden, die auch für die Dauer der Vorbeiführung der Markierungslücke 5 an dem Geber 6 vorliegen. Diese stehen somit, wie die von realen Zähnen 4 erzeugen Signale, unmittelbar für die Steuerung und Regelung des Brennkraftmotors zur Verfügung.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren wird wie folgt durchlaufen:
Im ersten Schritt S1 werden die Zeitpunkte der absteigenden Flanken der berücksichtigten Zähne durch Auslesen der entsprechenden Zählwerte des Zählers bestimmt. Im anschließenden Schritt S2 werden die Zahndauern der berücksichtigten Zähne aus den Zeitpunkten der absteigenden Flanken und Abspeichern der berechneten Zahndauern berechnet. In Schritt S3 schließt sich die Approximation des berechneten Zahndauerverlaufs mittels einer lineareren Regression und das Abspeichern der ermittelten Regressionskoeffizienten c0 und c1 an. Darauf folgt in Schritt S4 das Extrapolieren der Zahndauerdifferenzen D1 und D2 der virtuellen Zähne wie folgt: D1 = c1·N + C0, D2 = C1·(N + 1) + C0, wobei N die Anzahl der berücksichtigten Zähne ist.
-
In Schritt S5 erfolgt die Berechnung der Zahndauern T1, T2 und der Zeitpunkte Z1 und Z2 der absteigenden Flanken der virtuellen Zähne wie folgt: T1 = Xn + D1, T2 = T1 + D2, Z1 = Ln + T1, Z2 = Z1 + T2, wobei Xn die Zahndauer und Ln der Zeitpunkt der absteigenden Flanke des letzten der berücksichtigten N Zähne ist, welcher unmittelbar vor der Markierungslücke liegt.
