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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erkennen
mindestens einer Referenzinkrementmarke einer Menge von Inkrementmarken
eines Geberrads, wobei die Menge der Inkrementmarken normale Inkrementmarken
und die mindestens eine Referenzinkrementmarke umfasst, die sich
auf einer zu einer Drehachse des Geberrads konzentrischen Kreislinie
befinden, wobei bei einer Drehbewegung des Geberrads im Zusammenwirken mit
einem Sensor ein zeitlich veränderliches
Signal erzeugt wird und wobei jede der Inkrementmarken beim Überstreichen
des Sensors eine Flanke erster Art und eine Flanke zweiter Art erzeugt,
so dass das zeitlich veränderliche
Signal alternierend Flanken erster und zweiter Art umfasst, und
wobei die Kreislinie in gleich lange Sektoren unterteilbar ist und
beim Überstreichen
einer jeden Sektorengrenze, die eine Grenze angrenzender Sektoren
ist, über
den Sensor eine der Flanken erzeugt wird und die beim Überstreichen
der Sektorengrenzen über
den Sensor erzeugten Flanken Winkelgeberflanken sind und wobei die
mindestens eine Referenzmarke sich von übrigen Inkrementmarken dadurch
unterscheidet, dass die von der mindestens einen Referenzinkrementmarke erzeugte
Flanke erster Art von der vorangehend erzeugten Flanke zweiter Art
bei einer gleichförmigen Kreisbewegung
einen anderen zeitlichen Abstand aufweist als die von einer der
normalen Inkrementmarken erzeugte Flanke erster Art von einer vorangehend
erzeugten Flanke zweiter Art.
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Bei
modernen Motorkonzepten sollen hohe Leistungen bei zugleich minimalem
Schadstoffausstoß und
minimalem Kraftstoffverbrauch realisiert werden. Um dieses zu erreichen,
ist es notwendig, die Motorposition jeweils genau zu kennen. Motoren sind
so konstruiert, dass die jeweiligen physikalischen oberen Totpunkte
(OT) auf feste Positionen in einem Winkelsystem gelegt sind. Das
Winkelsystem ist in der Regel durch die Kurbelwelle (KB) definiert. Mit
der Kurbelwelle ist ein Geberrad, das auch als Geberscheibe bezeichnet
wird; starr gekoppelt. Das Geberrad weist Inkrementmarken auf, die
in der Regel als Zähne
ausgebildet sind. Bei einer Drehbewegung der Kurbelwelle wird das
Geberrad mitgedreht und die Inkrementmarken erzeugen in einem Sensor ein
zeitlich veränderliches
Signal. Jeder Zahn erzeugt hierbei eine Flanke erster Art und eine
Flanke zweiter Art. Bei den Flanken erster und zweiter Art handelt
es sich um steigende und fallende Flanken. Die zeitlichen Positionen
der Flanken in dem zeitlich veränderlichen
Signal werden zur Berechnung der Motorposition und einer Drehzahl
des Motors verwendet. Daher sind die Inkrementmarken in der Regel
gleich beabstandet und identisch ausgebildet auf einer Kreislinie
des Geberrads gebildet. Den einzelnen Inkrementmarken muss eindeutig
eine absolute Winkelposition der Kurbelwelle zugeordnet werden. Hierzu
ist eine Referenzinkrementmarke vorgesehen. Die Referenzinkrementmarke
unterscheidet sich in ihrer Ausgestaltung von den übrigen normalen Inkrementmarken.
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Aus
dem Stand der Technik, beispielsweise der
DE 41 41 713 A1 sind Geberräder bekannt,
bei denen die Referenzindexmarke aus zwei fehlenden Inkrementmarken
besteht. Daher wird eine Referenzinkrementmarke häufig auch
als Lückeninkrement bzw.
Lückeninkrementmarke
bezeichnet. Nachteilig an der bekannten Geberscheibe ist, dass im
Bereich der fehlenden Inkrementmarken keine Flanken im zeitlich
veränderlichen
Signal erzeugt werden und somit auch keine Informationen über die
Winkelposition des Geberrads bzw. der Kurbelwelle erhältlich sind.
Aus der
DE 41 41 713
A1 ist jedoch auch ein mit der Nockenwelle gekoppeltes
Geberrad bekannt, welches Zähne
unterschiedlicher Länge
aufweist, deren Rückflanken
in einem zeitlich veränderlichen
Signal in einem winkelfesten Abstand Flanken erzeugen. Die Längen der
Zähne im
Verhältnis
zu den Aussparungen zwischen den Zähnen ermöglichen eine eindeutige Zuordnung
der Zähne.
Aus der beim Einbau gewählten
relativen Lage der Zähne
zu der Kurbelwellenposition ist eine absolute Winkelbestimmung bei
Kenntnis der Einbauposition jeweils an den Rückflanken der Zähne möglich. Nachteilig
an der bekannten Nockengeberscheibe ist, dass nur eine geringe Anzahl
von Flanken bei einer Umdrehung erzeugt wird, die genau der Anzahl
der Zylinder des Motors entspricht.
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Aus
der
DE 197 55 575
A1 ist ein Geberrad bekannt, bei dem die Inkrementmarken
um den gesamten Umfang des Geberrads gleichmäßig verteilt sind. Alle Zähne der
Inkrementmarke weisen jeweils eine Flanke auf, die bei einer gleichförmigen Drehbewegung
der Geberscheibe im zeitlich veränderlichen Signal
zeitlich voneinander gleich beabstandete Flanken erzeugen. Diese
Flanken werden als aktive Flanken oder Winkelgeberflanken bezeichnet
und von der Motorsteuerung beispielsweise zur Synchronisierung einer
Kraftstoffeinspritzung verwendet. Das aus der
DE 197 55 575 A1 bekannte
Geberrad weist mindestens zwei Arten von Inkrementmarken auf, die eine
unterschiedliche Länge
besitzen. Dies bedeutet, dass die von den Inkrementmarken erzeugten
Flanken, die nicht die Winkelgeberflanken sind, zeitlich zu der
vorausgehend erzeugten Winkelgeberflanke bei einer gleichförmigen Bewegung
des Geberrads einen unterschiedlichen zeitlichen Abstand aufweisen. Diese
Flanken werden als passive Flanken bezeichnet. Bei einem Teil der
Inkrementmarken folgt bei einer gleichförmigen Drehbewegung der Geberscheibe die
passive Flanke der Winkelgeberflanke in einem zeitlich kürzeren Abstand
und bei einem zweiten Typ von Inkrementmarken in einem zeitlich
größeren Abstand.
Der Übergang
von den Inkrementmarken des einen Typs zu den Inkrementmarken des
zweiten Typs kann somit ermittelt werden, indem der zeitliche Abstand
der passiven Flanken von den jeweils vorausgehenden Winkelgeberflanken
bzw. aktiven Flanken bestimmt wird.
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Aus
der
DE 44 41 814 A1 ist
eine weitere Winkelgeberscheibe bekannt, bei der die einzelnen Inkrementmarken
alle dieselbe Form aufweisen, die Referenzinkrementmarke jedoch
die doppelte Länge zu
den übrigen
Inkrementmarken aufweist. Auch bei dieser Winkelgeberscheibe ist
somit die Referenzinkrementmarke anhand des zeitlichen Abstands
der Flanken, die von der Referenzinkrementmarke erzeugt werden,
relativ zu den zeitlichen Abständen, mit
denen die Flanken von den übrigen
Inkrementmarken erzeugt werden, ermittelbar.
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Die
bekannten Winkelgeberscheiben sind zwar in der Lage, Winkelgeberflanken
in zeitlich gleichen Abständen
bei einer Drehung der Geberscheibe mit einer konstanten gleichförmigen Drehbewegung
zu erzeugen. Im Betrieb des Motors ist jedoch die Drehzahl nicht
konstant. Eine Änderung
der Drehzahl ist mit einer Drehzahldynamik verknüpft. Erhöht sich beispielsweise die
Drehzahl, so werden die Flanken zeitlich früher im zeitlich veränderlichen
Signal erzeugt als bei einer gleichförmigen Drehbewegung. Bei einer
Verzögerung,
d.h. einer Verringerung der Drehzahl, werden die Flanken zeitlich
verzögert
gegenüber
den zeitlichen Positionen erzeugt, an denen sie bei einer gleichförmigen Kreisbewegung
erzeugt würden.
Daher ist mit den bekannten Systemen eine sichere Detektion der
Referenzinkrementmarke bei großen Änderungen
der Drehzahl nicht immer gewährleistet,
obwohl gerade bei einer großen
Drehzahländerung,
die in der Regel mit einer Laständerung
des Motors verknüpft
ist, eine genaue Einspritzung des Kraftstoffs bzw. Berechnung des
Zündzeitpunkts
besonders wichtig ist.
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Der
Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und
eine Vorrichtung zum zuverlässigen
Erkennen der Referenzinkrementmarke eines Geberrads zu schaffen,
die auch bei großen Drehzahländerungen
die Referenzinkrementmarke sicher und zuverlässig erkennen.
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Die
technische Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den
Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 8 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich
aus den Unteransprüchen.
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Insbesondere
wird ein Verfahren zum Erkennen mindestens einer Referenzinkrementmarke
einer Menge von Inkrementmarken eines Geberrads vorgeschlagen, wobei
die Menge der Inkrementmarken normale Inkrementmarken und die mindestens eine
Referenzinkrementmarke umfasst, die bei einer Drehbewegung des Geberrads
im Zusammenwirken mit einem Sensor beim Überstreichen des Sensors jeweils
eine Flanke erster Art und eine Flanke zweiter Art in einem zeitlich
veränderlichen
Signal erzeugen, wobei sich eine Flankenwechseldauer Tw, die als
der zeitliche Abstand der Flanke erster Art von der vorausgehenden
Flanke zweiter Art definiert ist, der von der mindestens eine Referenzinkrementmarke
erzeugten Flanke erster Art bei einer gleichförmigen Drehbewegung des Geberrads
von denen der Flanken erster Art der normalen Inkrementmarken unterscheidet,
wobei beim Ermitteln, ob die zugehörige Flanke erster Art von
der mindestens einen Referenzinkrementmarke erzeugt ist, eine Drehzahldynamik a,
die mit einer zeitlichen Änderung
der Drehzahl des Geberrads verknüpft
ist, berücksichtigt
wird. Der Erfindung liegt somit der Gedanke zugrunde, eine Drehzahldynamik
bei der Plausibilisierung des Erkennens einer Flanke erster Art,
die von der Referenzinkrementmarke erzeugt ist, einzubeziehen.
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Eine
vorteilhafte Ausführungsform
des Verfahrens umfasst folgende Schritte: Messen des zeitlich veränderlichen
Signals mittels des Sensors; Erfassen der Flanken erster Art und
zweiter Art und Bestimmen einer jeweiligen Flankenwechseldauer Twn, die
gleich einem Zeitabstand der Flanke zweiter Art zu der nachfolgenden
Flanke erster Art ist; Ermitteln anhand der bestimmten Flankenwechseldauer
Twn, ob die zugehörige
Flanke erster Art von der mindestens einen Referenzinkrementmarke
erzeugt ist, wobei beim Ermitteln, ob die zugehörige Flanke erster Art von
der mindestens einen Referenzinkrementmarke erzeugt ist, eine Drehzahldynamik
a, die mit einer zeitlichen Änderung
der Drehzahl des Geberrads verknüpft
ist, berücksichtigt
wird.
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Eine
besonders bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung sieht vor, dass sich die Inkrementmarken auf einer
zu einer Drehachse des Geberrads konzentrischen Kreislinie befinden,
die in gleich lange Sektoren unterteilbar ist und beim Überstreichen einer
jeden Sektorengrenze, die eine Grenze angrenzender Sektoren ist, über den
Sensor eine der Flanken erzeugt wird, wobei die beim Überstreichen
der Sektorengrenzen über
den Sensor erzeugten Flanken Winkelgeberflanken sind und wobei der
zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinander folgend erzeugten Winkelgeberflanken
als Inkrementperiodendauer Tinkn definiert ist und die Flanke erster
Art als von der Referenzinkrementmarke erzeugt ermittelt wird, wenn
ein Tastverhältnis
TVn, welches gleich einem Quotienten der Flankenwechseldauer Twn
und der aktuell ermittelten Inkrementperiodendauer Tinkn ist, kleiner
(größer) als
ein kritisches Tastverhältnis
TVkrit (a) ist, das von der Drehzahldynamik a abhängig ist
(TV = Twn/Tinkn <(>) TVkrit(a)). Das jeweilige Tastverhältnis TVn
kann aus den ermittelten Positionen bzw. Zeitdauern zwischen den
einzelnen Flanken des zeitlich veränderlichen Signals berechnet werden.
Alternativ ist es jedoch möglich,
die Zeitmessung beispielsweise in eine Spannungsmessung zu überführen. Das
zeitlich veränderliche
Signal ist in der Regel ein Rechtecksignal. Das Signal weist somit zwei
Zustände
auf. Die Integration des Spannungssignals zwischen zwei Winkelgeberflanken
liefert somit ebenfalls das Tastverhältnis.
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Je
nach Ausgestaltung der normalen Inkrementmarken im Verhältnis zu
der mindestens einen Referenzinkrementmarke ist das Tastverhältnis TVn der
mindestens einen Referenzinkrementmarke kleiner oder größer als
das kritische Tastverhältnis
TVkrit(a), welches von der Drehzahldynamik a abhängig ist.
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Eine
andere bevorzugte Ausführungsform der
Erfindung sieht vor, dass die Flanke erster Art als von der Referenzinkrementmarke
erzeugt ermittelt wird, wenn die Flankenwechseldauer Twn größer (kleiner)
als ein Produkt der Inkrementperiodendauer Tinkn und eines ersten
Faktors f(a) ist, der von der Drehzahldynamik a abhängig ist
(Twn > (<) Tinkn·f(a)).
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Die
Drehzahldynamik kann auf unterschiedliche Art und Weise ermittelt
werden. Eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung sieht vor, dass die Drehzahldynamik a gegeben ist
durch einen Quotienten einer aktuell ermittelten Inkrementperiodendauer Tinkn
und einer vorausgehend ermittelten Inkrementperiodendauer Tinkn-1
(a = Tinkn/Tinkn-1). Diese Art der Bestimmung der Drehzahldynamik
ist besonders einfach, da die Zeitabstände zwischen den Winkelgeberflanken
einfach zu bestimmen sind.
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Eine
andere vorteilhafte Ausführungsform der
Erfindung sieht vor, dass jeweils beim Erfassen der Winkelgeberflanke
eine Winkelposition ΦFlanke des
Geberrads auf einer Winkeluhr erfasst wird und eine Winkeldifferenz δΦ zu einer
vorausgesagten Winkelposition ΦVoraussage
berechnet wird und die Drehzahldynamik a gegeben ist als der Quotient
der Differenz δΦ geteilt
durch einen vorbekannten Winkelabstand ΔΦ (a = δΦ/ΔΦ). Auf einer Winkeluhr liegt der
Winkel quasi kontinuierlich vor. Bei jedem Erfassen einer der Winkelgeberflanken
wird die Steigung der Winkeluhr neu festgelegt, so dass die Winkeluhr jeweils
an die aktuelle Drehzahl angepasst ist. Die Drehzahldynamik a ergibt
sich in diesem System als die Abweichung der tatsächlich gemessenen
Winkelposition ΦFlanke
für eine
nachfolgende Winkelgeberflanke von der vorausgesagten Winkelposition ΦVoraussage
dividiert durch den vorbekannten Winkelabstand ΔΦ, der mit einem Drehwinkel
zwischen zwei Winkelgeberflanken korrespondiert.
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Es
hat sich gezeigt, dass sowohl das kritische Tastverhältnis TVkrit(a)
als auch der erste Faktor f(a) in erster Näherung linear von der Drehzahldynamik
a abhängen.
Daher sieht eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung
vor, dass die Abhängigkeit
des kritischen Tastverhältnisses
TVkrit(a) oder des ersten Faktors f(a) mittels einer Geradengleichung
angenähert
werden.
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Um
im Betrieb eine Berechnung des kritischen Tastverhältnisses
TVkrit(a) oder des ersten Faktors f(a) überflüssig zu machen, sieht eine
Weiterbildung der Erfindung vor, dass Werte des kritischen Tastverhältnisses
TVkrit(a) oder des ersten Faktors f(a) für unterschiedliche Werte der
Drehzahldynamik in einem Speicher abgelegt sind und von dort entsprechend
abgerufen werden. Das kritische Tastverhältnis TVkrit(a) oder der erste
Faktor f(a) müssen somit
nur einmal berechnet oder bestimmt werden. Hierdurch wird ferner
ermöglicht,
dass das kritische Tastverhältnis
TVkrit(a) oder der erste Faktor f(a) anhand einer komplizierten
Gleichung festgelegt werden können,
die im Betrieb nicht einfach berechnet werden kann, oder dass empirische
Werte ermittelt werden können,
die in dem Speicher abgelegt werden.
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Um
eine komplizierte Division bzw. Quotientenbildung zur Bestimmung
der Drehzahldynamik a zu vermeiden, sieht eine besonders bevorzugte
Ausführungsform
der Erfindung vor, dass die Flanke erster Art als von der Referenzinkrementmarke
erzeugt erkannt wird, wenn ein Produkt aus der vorausgehenden Inkrementperiodendauer
Tinkn-1 mit der Flankenwechseldauer Tw größer (kleiner) als das Produkt der
aktuell ermittelten Inkrementperiodendauer Tinkn und der Summe aus
dem Produkt der vorausgehenden Inkrementperiodendauer Tinkn-1 und
einer ersten Konstante w0 und einem Produkt der aktuell ermittelten
Inkrementperiodendauer Tinkn (Tnink ·Tw >(<) Tnink ·(Tn-1ink ·w0 + Tnink ·w1))und einer zweiten Konstante w1 ist.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung, die ohne einen großen Rechenaufwand realisierbar
ist, sieht vor, dass die Flanke erster Art als von der Referenzinkrementmarke
erzeugt erkannt wird, wenn die Flankenwechseldauer Tw größer (kleiner)
als das Produkt aus der aktuell ermittelten Inkrementperiodendauer
Tinkn mit der Summe aus einer dritten Konstante w3 und einem Produkt
der Differenz δΦ mit einer
vierten Konstante w4 ist. Diese Ausführungsform nutzt die anhand
der Winkeluhr bestimmte Winkeldifferenz. Die benötigte Division durch die vorbekannte
Winkeldifferenz kann gegenüber dem
oben beschriebenen Verfahren zur Bestimmung der Drehmomentdynamik
a entfallen, da sie in die Konstanten w3 (Tw >(<) Tnink ·(w3 + ∂ϕ·w4))und w4 mit „integriert" werden kann.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung sieht vor, dass die Winkelgeberflanken alles Flanken zweiter
Art sind. Diese Ausführungsform
setzt ein Geberrad voraus, bei dem in jedem Sektor der Kreislinie
genau eine Inkrementmarke enthalten ist.
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Eine
andere vorteilhafte Ausführungsform der
Erfindung sieht vor, dass die Flanke erster Art und die Flanke zweiter
Art, die von der mindestens einen Referenzinkrementmarke erzeugt
werden, beide Winkelgeberflanken sind. Bei dieser Ausführungsform
der Erfindung weist das Geberrad mindestens eine Referenzinkrementmarke
auf, die sich über
zwei Sektoren der Kreislinie erstreckt.
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Bei
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass die aktuell ermittelte Inkrementperiodendauer Tinkn
anhand der Geberflanken ermittelt wird, die zeitlich vor der Flanke
erster Art erfasst wurden, für die
ermittelt wird, ob sie von der mindestens einen Referenzinkrementmarke
erzeugt ist. Bei dieser Definition der aktuell ermittelten Inkrementperiodendauer
kann eine Auswertung unmittelbar zu dem Zeitpunkt erfolgen, zu dem
die Flanke erster Art erfasst wird.
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Eine
hinsichtlich der Dynamik genauere Erfassung ermöglicht eine Ausführungsform,
die vorsieht, dass die aktuell ermittelte Inkrementperiodendauer
Tinkn anhand der beiden Geberflanken ermittelt wird, die zeitlich
vor und nach der Flanke erster Art erfasst werden, für die ermittelt
wird, ob sie von der mindestens einen Referenzinkrementmarke erzeugt
ist.
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Die
Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung
weisen dieselben Vorteile wie die entsprechenden Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens
auf.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf
eine Zeichnung näher
erläutert.
Hierbei zeigen:
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1 und 2 jeweils
Ausschnitte aus zeitlich veränderlichen
Signalen unterschiedlicher Geberräder, die bei einer gleichförmigen Drehbewegung
der jeweiligen Geberräder
erzeugt werden;
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3 Ausschnitte
zeitlich veränderlicher
Signale, die von einem Geberrad erzeugt werden, wenn eine Verzögerung der
Drehbewegung eintritt, eine gleichförmige Drehbewegung stattfindet
oder eine beschleunigte Drehbewegung ausgeführt wird; und
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4 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Erkennen einer Referenzinkrementmarke.
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In 1 sind
Ausschnitte zeitlich veränderlicher
Signale a-d jeweils gegen eine Zeit t aufgetragen. Die zeitlich
veränderlichen
Signale a-d, die mittels unterschiedlicher Geberräder bei
einer gleichförmigen
Drehbewegung erzeugt werden, weisen jeweils alternierend Flanken
erster eA und zweiter Art zA auf. Als Flanken zweiter Art zA oder
auch aktive Flanken werden jene Flanken bezeichnet, die zu gleich
beabstandeten Zeitpunkten 1-6 erzeugt werden. Diese Flanken werden
als Winkelgeberflanken bezeichnet. Bei den zeitlich veränderlichen
Signalen b und c sind diese Flanken zweiter Art zA fallende Flanken,
bei den zeitlich veränderlichen
Signalen a und d sind diese Flanken zweiter Art zA steigende Flanken.
Dementsprechend sind Flanken erster Art eA bei den zeitlich veränderlichen
Signalen a und d fallende Flanken und bei den zeitlich veränderlichen Signalen
b und c steigende Flanken. Eine Zeitdauer zwischen jeweils zwei
zeitlich aufeinander folgend erzeugten Winkelgeberflanken, die zu
den gleich beabstandeten Zeitpunkten 1-6 erzeugt werden, wird als Inkrementperiodendauer
Tink bezeichnet. Die Zeitdauer zwischen einer Winkelgeberflanke
und einer Flanke erster Art eA wird als Flankenwechseldauer Twn
bezeichnet. Der hochgestellte Index n wird verwendet, um die einzelnen
Flanken erster Art eA durchzuzählen.
Ohne Beschränkung
der Allgemeinheit wird im Folgenden angenommen, dass die Flanke
erster Art eA, die von der Referenzinkrementmarke erzeugt ist, jeweils
den Index n trägt.
In den in 1 dargestellten zeitlich veränderlichen
Signalen a-d tritt diese Flanke erster Art eA jeweils zwischen den
Zeitpunkten 3 und 4 auf. Zwischen den übrigen Zeitpunkten 1-3, 4-6
werden die zeitlich veränderlichen
Signale a-d jeweils von normalen Inkrementmarken erzeugt. Mittels
eines Pfeils 10 ist jeweils die Flankenwechseldauer Twn-1
grafisch dargestellt, die zu einer normalen Inkrementmarke korrespondiert. Mittels
eines weiteren Doppelpfeils 11 ist jeweils die Flankenwechseldauer
Twn für
jenen Signalabschnitt dargestellt, der von der Referenzinkrementmarke
erzeugt ist. Es ist deutlich zu erkennen, dass bei den zeitlich
veränderlichen
Signalen a und b die Flankenwechseldauer Twn kürzer als die Flankenwechseldauer
Twn-1 ist, die zu einer normalen Inkrementmarke korrespondiert.
Da die absolute Länge
der Flankenwechseldauer Twn von der Drehgeschwindigkeit des Geberrads
abhängig
ist, ist für
einen Vergleich eine Normierung auf die jeweils aktuell ermittelte
Inkrementperiodendauer Tinkn vorzunehmen. Eine zugehörige aktuell
ermittelte Inkrementperiodendauer Tinkn kann auf zwei unterschiedliche
Arten definiert sein. Zum einen kann die aktuell ermittelte Inkrementperiodendauer
Tinkn jene Zeitdauer zwischen zwei Winkelgeberflanken sein, die
die entsprechende Flanke erster Art eA umschließen". Die aktuell ermittelten Inkrementperiodendauern
Tinkn, Tinkn-1, ..., gemäß dieser
ersten Definition sind eingeklammert unter Pfeilen 20, 21, 22 angegeben,
die jeweils die Inkrementperiodendauer grafisch darstellen. Nachteilig
bei dieser ersten Definition ist, dass zum Zeitpunkt des Erfassens
der Flankenwechseldauer Twn die aktuell ermittelte Inkrementperiodendauer
Tinkn gemäß der ersten
Definition noch nicht ermittelt ist. Daher wird bevorzugt eine zweite
Definition verwendet, bei der die aktuell ermittelte Inkrementperiodendauer
Tinkn jene ist, die anhand der beiden Geberflanken ermittelt wurde,
die zeitlich unmittelbar vor der Flanke erster Art eA erfasst wurden, die
mit der Flankenwechseldauer Twn verknüpft ist. Die Inkrementperiodendauern
Tinkn-1, Tinkn, Tinkn+1 gemäß dieser
zweiten, bevorzugten Definition sind nicht eingeklammert unter den
Pfeilen 20, 21, 22 dargestellt.
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Bei
den zu den zeitlich veränderlichen
Signalen a und b gehörigen
Geberrädern
kann die Referenzinkrementmarke daran erkannt werden, dass die Flankenwechseldauer
Twn kleiner als ein Faktor f(a) multipliziert mit der aktuell ermittelten
Inkrementperiodendauer Tinkn ist. Als Gleichung ausgedrückt bedeutet
dies. Twn < f(a)·Tinkn (Gl. 1)
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Ein
Quotient aus der Flankenwechseldauer Twn und der aktuell ermittelten
Inkrementperiodendauer Tinkn gibt ein so genanntes Tastverhältnis TVn an.
Für das
Tastverhältnis
gilt, dass eine Flanke erster Art eA als von der Referenzinkrementmarke
erzeugt erkannt wird, wenn gilt:
wobei TVkrit(a) ein kritisches
Tastverhältnis
ist, welches von einer Drehzahldynamik a abhängig ist. Die Drehzahldynamik
a ist ein Maß für die Änderung
der Drehzahl pro Zeiteinheit bzw. die Änderung einer Winkelgeschwindigkeit
pro Zeiteinheit. Die Drehzahldynamik a kann auch als Änderung
der Drehzahl pro Drehwinkeländerung
ausgedrückt
werden. Die Änderung
der Drehzahldynamik a drückt
sich auch in einer Änderung
der Inkrementperiodendauern Tinkn aus. Somit kann die Drehzahldynamik
a durch eine Quotientenbildung aufeinander folgend ermittelter Inkrementperiodendauern
Tinkn, Tinkn-1 abgeschätzt werden:
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Eine
Abhängigkeit
des kritischen Tastverhältnisses
TVkrit(a) und/oder des Faktors f(a) kann beispielsweise empirisch
ermittelt werden und in einem Speicher abgelegt werden, von wo die
entsprechenden Werte für
den Faktor f(a) oder das kritische Tastverhältnis TVkrit(a) abgerufen werden
können.
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Die
zeitlich veränderlichen
Signale c und d weisen bezüglich
der von den normalen Inkrementmarken und der Referenzinkrementmarke
erzeugten Signalabschnitte gegenüber
den zeitlich veränderlichen
Signalen a und b invertierte Tastverhältnisse auf. Eine Flanke erster
Art eA wird somit als von der Referenzinkrementmarke erzeugt erkannt,
wenn gilt:
Twn > f(a)·Tinkn (Gl. 4)oder
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In
2 sind
zeitlich veränderliche
Signale e-h gegen die Zeit aufgetragen, die von unterschiedlichen
Geberrädern
bei einer gleichförmigen
Drehbewegung erzeugt werden. Die Geberräder, die die zeitlich veränderlichen
Signale e-h erzeugen, weisen die Gemeinsamkeit auf, dass die Referenzinkrementmarke
so ausgestaltet ist, dass beide von der Referenzinkrementmarke erzeugten
Flanken
51,
52 Winkelgeberflanken sind. Dies bedeutet,
dass die Referenzinkrementmarke ein Winkelsegment auf einer Kreislinie,
auf der sich die Inkrementmarken befinden, einnimmt, welcher doppelt
so lang wie ein Sektor ist, in dem sich eine normale Inkrementmarke
befindet. Die von den normalen Inkrementmarken erzeugten Flanken,
die Winkelgeberflanken sind, werden als Flanken zweiter Art zA bezeichnet.
Diese werden bei der gleichförmigen
Drehbewegung zu den Zeitpunkten 1, 2, 3 und 6 erzeugt. Zu den Zeitpunkten
4 und 5 werden die Winkelgeberflanken von der Referenzinkrementmarke
erzeugt. Dies bedeutet, dass die Flanke erster Art
51,
die von der Referenzinkrementmarke erzeugt wird, an die Stelle einer Flanke
zweiter Art zA als Winkelgeberflanke tritt. Für das Erkennen, dass eine Flanke
erster Art eA von der Referenzinkrementmarke erzeugt ist, gelten
folgende Bedingungen:
Twn > f(a)·Tinkn (Gl. 6)oder
wobei Twn die zur jeweiligen
Flanke erster Art eA ermittelte Flankenwechseldauer ist. Zu beachten
ist hier, dass sinnvollerweise die oben angegebene zweite Definition
für die
aktuell ermittelte Inkrementperiodendauer Tinkn verwendet wird.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass die Inkrementperiodendauer nicht als
der zeitliche Abstand zwischen zwei benachbarten Flanken zweiter
Art zA definiert ist, sondern als der Abstand zwischen zwei benachbarten
Winkelgeberflanken. Da in den zeitlich veränderlichen Signalen e-h die Flanke erster
Art eA, die von der Referenzinkrementmarke erzeugt wird, jeweils
auch eine Winkelgeberflanke ist, wäre die Verwendung der zuerst
genannten Definition für
die aktuell ermittelte Inkrementperiodendauer Tkritn nicht sinnvoll,
da das Tastverhältnis
TV zwangsläufig immer
gleich 1 wäre.
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Die
dargestellten zeitlich veränderlichen
Signale e-h unterscheiden sich dadurch, dass bei den Signalen e,
g und h die Flanken zweiter Art zA jeweils fallende Flanken sind,
wohingegen bei dem zeitlich veränderlichen
Signal f die Flanken zweiter Art zA steigende Flanke sind. Bei den
zeitlich veränderlichen
Signalen e, f beträgt
das Tastverhältnis
der Signalabschnitte, die von den normalen Inkrementmarken erzeugt
sind, TV = ½.
Bei den Signalabschnitten der zeitlich veränderlichen Signale g und h,
die von den normalen Inkrementmarken erzeugt sind, gilt entsprechend
TV > ½ bzw.
TV < ½.
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Anhand
von 3 soll erläutert
werden, wie sich die zeitlich veränderlichen Signale bei einer
Verzögerung
i oder einer Beschleunigung k gegenüber einer gleichförmigen Drehbewegung
j ändern.
Im zeitlich veränderlichen
Signal i tritt eine Verzögerung nach
dem Zeitpunkt 2' auf.
Hierdurch verlängert
sich die Flankenwechseldauer Twn-1 eines Signalabschnitts, der von
einer normalen Inkrementmarke erzeugt ist. Ebenso verlängert sich
die nachfolgend ermittelte Inkrementperiodendauer Tinkn. Dennoch, gilt:
Twn-1 < f(a)·Tinkn-1,
d. h., dass die Flankenwechseldauer Twn-1 der Flanke erster Art 61 ,
die von einer normalen Inkrementmarke erzeugt ist, nicht als von
der Referenzinkrementmarke erzeugt erkannt wird. Für die von
der Referenzinkrementmarke erzeugte Flanke erster Art 51 gilt
jedoch, dass Twn > f(a)·Tinkn
ist. Somit wird die von der Referenzinkrementmarke erzeugte Flanke
erster Art 51 korrekt als solche erkannt und die Referenzinkrementmarke
korrekt identifiziert. Bei einer Beschleunigung treten die Flanken
im zeitlich veränderlichen
Signal i somit später
auf als bei einer gleichförmigen
Drehbewegung (Signal j). Daher wird der Faktor f(a) größer, je
stärker die
Verzögerung,
die mit der Drehzahldynamik a verknüpft ist, ist. Das zeitlich
veränderliche
Signal k stellt dar, wie sich das Signal verändert, wenn nach dem Zeitpunkt
3'' eine Erhöhung der
Drehzahl stattfindet. Die einzelnen Flanken folgen zeitlich in kürzeren Abständen aufeinander
als bei dem Signal j, welches bei einer gleichförmigen Drehbewegung erzeugt
ist. Die Zeitpunkte 1-6, 1'-6' und 1''-6'', zu denen für die Signale
i, j, k entsprechend Winkelsignale erzeugt werden, sind deutlich
gegeneinander verschoben. Die absolute Winkelposition des Geberrads
ist jeweils beim Erkennen der Flanke erster Art 51, die
von der Referenzinkrementmarke erzeugt ist, bekannt. Hierbei wird
vorausgesetzt, dass die Einbaulage der Geberscheibe in dem Winkelsystem
beispielsweise der Kurbelwelle bekannt ist.
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Aus
der Verschiebung der Zeitpunkte 3'-6' und
4''-6'', an denen Winkelgeberflanken erfasst
werden, gegenüber
den Zeitpunkten 3-6 kann abgeleitet werden, dass der Faktor f(a)
um so kleiner werden muss, je höher
eine Zunahme der Drehzahl pro Zeiteinheit ist. Nutzt man zur Plausibilisierung
das kritische Tastverhältnis
TVkrit(a), so kann man sich entsprechend überlegen, dass auch dieses
in Abhängigkeit
von der Änderung
der Drehzahl bzw. Drehzahldynamik a vergrößert bzw. verkleinert werden
muss. Die Drehzahldynamik a kann beispielsweise durch das Verhältnis der
aktuell bestimmten Inkrementperiodendauer Tinkn geteilt durch die
vorausgehend bestimmte Inkrementperiodendauer Tinkn-1 angenähert werden.
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Sowohl
für das
kritische Tastverhältnis
TVkrit(a) als auch für
den Faktor f(a) kann die Abhängigkeit
von der Drehzahldynamik a mittels einer Geradengleichung angenähert werden.
Für das
kritische Tastverhältnis
TVkrit(a) gilt beispielsweise:
Diese Bedingung lässt sich
unter Verwendung der Gl. 2 umformulieren zu
(Tnink ·Tw >(<) Tnink ·(Tn-1ink ·w0 + Tnink ·w1)) Gl.
9 -
Liegt
eine Winkeluhr vor, so kann die Plausibilisierung, d.h. ein Erkennen
der Flanke erster Art eA als eine von der Referenzinkrementmarke
erzeugte Flanke, auch auf eine weitere Art durchgeführt werden.
In diesem Fall wird die Drehzahldynamik a abgeschätzt. Und
zwar aus einem zum Zeitpunkt des Erfassens einer Winkelgeberflanke
abgelesenen Winkelwert ΦFlanke
der Winkeluhr und einem zuvor vorausgesagten Winkel ΦVoraussage
für das
Detektieren der Winkelgeberflanke. Der vorausgesagte Winkel ΦVoraussage
wird von der Winkelposition ΦFlanke
beim Erfassen der Winkelgeberflanke subtrahiert. Es ergibt sich
eine Winkeldifferenz δΦ. Die Drehzahldynamik
a ergibt sich als der Quotient der Winkeldifferenz δΦ und eines
vorbekannten Winkelabstands ΔΦ:
wobei der vorbekannte Winkelabstand ΔΦ zu dem Drehwinkel
korrespondiert, um den sich das Geberrad zwischen dem Auftreten
von zwei aufeinander folgenden Winkelgeberflanken im zeitlich veränderlichen
Signal dreht. Linearisiert man erneut das kritische Tastverhältnis TVkrit(a)
unter Ausnutzung dieser Definition der Drehzahldynamik a, so erhält man:
TVkrit(a) = w3 + w4 δΦ. (Gl. 11) -
Hierbei
ist der vorbekannte Winkelabstand ΔΦ bereits in die Konstante w4
integriert. Mit dieser Linearisierung ergibt sich beispielsweise
für die
Signale a, b nach 1 für ein Identifizieren einer
Flanke erster Art eA als eine von der Referenzinkrementmarke erzeugte
Flanke folgende Bedingung: Twn < (w3
+ w4 δΦ) Tinkn (Gl. 12)und
für die übrigen Signale
c und d nach 1 und e bis h nach 2 Twn > (w3 + w4 δΦ) Tinkn. (Gl. 13)
-
In 4 ist
eine Ausführungsform
einer Vorrichtung 100 zum Erkennen einer Referenzinkrementmarke
schematisch dargestellt. Auf einem Geberrad 102 sind normale
Inkrementmarken 104 und eine Referenzinkrementmarke 106 befindlich.
Die normalen Inkrementmarken 104 und die Referenzinkrementmarke 106 erzeugen
in einem Sensor 108 ein zeitlich veränderliches Signal. Der Sensor 108 kann
beispielsweise als magnetischer Sensor ausgebildet sein. Das zeitlich
veränderliche
Signal weist Flanken erster und zweiter Art auf, wobei jede normale
Inkrementmarke und die Referenzinkrementmarke 106 jeweils
eine Flanke erster Art und eine Flanke zweiter Art erzeugen. Eine
Erfassungseinheit 110 erfasst die Flanken erster und zweiter
Art und eine Zeitmesseinrichtung 111 bestimmt die jeweilige
Flankenwechseldauer Twn, die gleich dem Abstand der Flanke zweiter
Art zu der nachfolgenden Flanke erster Art ist. Mittels einer Erkennungseinheit 114 wird
ermittelt; ob die Flanke erster Art von der Referenzinkrementmarke 106 erzeugt
ist. Hierbei wird mittels einer Drehzahldynamikeinheit 116 eine
Drehzahldynamik a der Bewegung des Geberrads 102 ermittelt.
Hierzu wird beispielsweise mittels einer Recheneinheit 118 ein
Quotient zwischen einer aktuellen Inkrementperiodendauer Tinkn und
einer vorausgehenden Inkrementperiodendauer Tinkn-1 ermittelt. In
einem Speicher 120 sind kritische Tastverhältnisse
TVkrit(a) für unterschiedliche
Drehzahldynamiken a abgelegt. Mittels einer Vergleichseinheit 122 wird
ein Tastverhältnis
TVn, welches als die Flankenwechseldauer Twn geteilt durch die aktuell
ermittelte Inkrementperiodendauer Tinkn gegeben ist mit einem entsprechenden kritischen
Tastverhältnis
TVkrit(a) verglichen. Anhand des Vergleichs kann ermittelt werden,
ob die Flanke erster Art, zu der die Flankenwechseldauer Twn gehört, von
der Referenzinkrementmarke 106 erzeugt wurde oder nicht.
Wird die entsprechende Flanke erster Art als von der Referenzinkrementmarke 106 erzeugt
erkannt, so wird ein Zähler 124 zurückgesetzt,
der von jeder erkannten Winkelgeberflanke erhöht wird. Beim Erfassen einer
Winkelgeberflanke wird zusätzlich
ein Winkelsignal von einer Winkelsignalerzeugereinheit 128 erzeugt,
welches eine absolute Winkelposition ausgibt. Diese ergibt sich aus
der im Zähler 124 befindlichen
Zahl multipliziert mit dem Winkelabstand ΔΦ, der mit dem Winkelabstand
zweier normaler Inkrementmarken korrespondiert. Alternativ oder
zusätzlich
zu dem Speicher 120 kann die Recheneinheit 118 ein
Geradengleichungsmodul 130 umfassen, mit Hilfe dessen das
kritische Tastverhältnis
TVkrit(a) als von der Drehzahldynamik a abhängige Gerade angenähert werden
kann. Zusätzlich
oder alternativ kann mittels eines weiteren Sensors 132 jeweils
beim Erfassen eines Winkelgebersignals ein Winkel ΦFlanke anhand
einer Winkeluhr 134 erfasst werden. Von diesem Winkel ΦFlanke wird
ein geschätzter
bzw. vorausgesagter Winkel ΦVoraussage
subtrahiert und es ergibt sich eine Winkeldifferenz δΦ. Diese
Winkeldifferenz δΦ ist ebenfalls
ein Maß für die Drehzahldynamik
a und kann ebenfalls mittels des Geradengleichungsmoduls 130 verwendet
werden, um das Tastverhältnis
durch eine Gerade anzunähern.
Die Winkeluhr 134 kann auch als digitaler Zähler ausgestaltet
sein, so dass das des Winkels ΦFlanke
mittels eines Auslesens des digitalen Zählers ausführbar ist.
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Die
Erfassungseinheit 110, die Zeitmesseinrichtung 111,
die Erkennungseinheit 114, die Drehzahldynamikeinheit 116,
die Rechnereinheit 118, der Speicher 120, die
Vergleichseinheit 122, der Zähler 124, die Winkelsignalerzeugungseinheit 128,
das Geradengleichungsmodul 130 und/oder die Winkeluhr 134 können teilweise
oder vollständig
in eine Motorsteuerung integriert sein und zumindest teilweise in
Software ausgebildet sein.
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Eine
vorteilhafte Ausführungsform
einer Vorrichtung zum Erkennen mindestens einer Referenzinkrementmarke
einer Menge von Inkrementmarken eines Geberrads, wobei die Menge
der Inkrementmarken normale Inkrementmarken und die mindestens eine
Referenzinkrementmarke umfasst, die sich auf einer zu einer Drehachse
des Geberrads konzentrischen Kreislinie befinden, wobei bei einer
Drehbewegung des Geberrads im Zusammenwirken mit einem Sensor ein
zeitlich veränderliches
Signal erzeugbar ist, wobei mittels jeder der Inkrementmarken beim Überstreichen
des Sensors eine Flanke erster Art und eine Flanke zweiter Art erzeugbar
ist, so dass das zeitlich veränderliche
Signal alternierend Flanken erster und zweiter Art umfasst, und
wobei die Kreislinie in gleich lange Sektoren unterteilbar ist und beim Überstreichen
einer jeden der Sektorengrenzen über
den Sensor eine der Flanken erzeugbar ist und die beim Überstreichen
der Sektorengrenzen über den
Sensor erzeugbaren Flanken Winkelgeberflanken sind und wobei die
mindestens eine Referenzinkrementmarke sich von den normalen Inkrementmarken
dadurch unterscheidet, dass die von der mindestens einen Referenzinkrementmarke
erzeugbare Flanke erster Art von der vorangehend erzeugbaren Flanke
zweiter Art bei einer gleichförmigen
Kreisbewegung einen anderen zeitlichen Abstand, der als Flankenwechseldauer
Tw definiert ist, aufweist als die von einer normalen Inkrementmarke
erzeugte Flanke erster Art von einer von einer vorangehend erzeugten
Flanke zweiter Art, umfasst: den Sensor zum Messen des zeitlich
veränderlichen
Signals; eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen der Flanken erster
Art und zweiter Art und eine Zeitmesseinrichtung zum Bestimmen einer
jeweiligen Flankenwechseldauer Tw, die gleich einem Zeitabstand
der Flanke zweiter Art zu der nachfolgenden Flanke erster Art ist;
eine Erkennungseinheit zum Ermitteln anhand der bestimmten Flankenwechseldauer
Twn, ob die zugehörige
Flanke erster Art von der mindestens einen Referenzinkrementmarke
erzeugt ist, wobei die Erkennungseinheit eine Drehzahldynamikeinheit
umfasst, mittels der beim Ermitteln, ob die zugehörige Flanke
erster Art von der mindestens einen Referenzinkrementmarke erzeugt
ist, eine Drehzahldynamik a, die mit einer zeitlichen Änderung
der Drehzahl des Geberrads verknüpft
ist, berücksichtigbar
ist.
