DE102006030592B4 - Verfahren zum Betreiben von mindestens zwei in Master/Slave Konfiguration miteinander verbundenen Motorsteuergeräten - Google Patents

Verfahren zum Betreiben von mindestens zwei in Master/Slave Konfiguration miteinander verbundenen Motorsteuergeräten Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Betreiben von mindestens zwei in Master/Slave Konfiguration miteinander verbundenen Motorsteuergeräten eines Motors, die jeweils ein Computerprogramm abarbeiten, das auf die Drehzahl des Motors abgestimmte winkelsynchrone Funktionen umfasst, wobei die Steuergeräte Synchronisationsinformationen austauschen, wobei in den Steuergeräten unabhängig voneinander die gleichen Sensorikdaten der im Arbeitsspiel des Motors erfassten Motorstellung zur Verfügung stehen, dadurch gekennzeichnet, dass bei Senden eines eine winkelsynchrone Funktion betreffenden Befehls vom Master-Steuergerät (SG1) an das Slave-Steuergerät (SG2) zusätzliche Informationen, die die momentane Motorstellung repräsentieren, mitgesendet werden, und dass das Slawe-Steuergerät (SG2) diese Informationen zusammen mit der bei Empfang dieser Informationen gegebenen momentanen Motorstellung verwendet, um sein Programm winkelsynchron zum Master-Steuergerät (SG1) abzuarbeiten.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben von mindestens zwei in Master/Slave Konfiguration miteinander verbundenen Motorsteuergeräten eines Motors, beispielsweise einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine oder eines Elektromotors, die jeweils ein Computerprogramm abarbeiten, das auf die Drehzahl des Motors abgestimmte winkelsynchrone Funktionen umfasst, wobei die Steuergeräte Synchronisationsinformationen austauschen, und wobei in den Steuergeräten unabhängig voneinander die gleichen Sensorikdaten der im Arbeitsspiel des Motors erfassten Motorstellung zur Verfügung stehen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein System aus zwei Steuergeräten gemäß Anspruch 10.
  • Bei Motoren mit hoher Zylinderzahl, z. B. 10 oder mehr, werden oft zwei elektronische Motorsteuergeräte verwendet, die jeweils einer ersten bzw. zweiten Zylinderbank des Motors zugeordnet sind, wobei die beiden Steuergeräte unabhängig voneinander auf Messdaten zur Motorposition, also zur Stellung des Motors in einem Arbeitsspiel des Motors, sowie auf weitere, die jeweils eigene Zylinderbank betreffende Messwerte, zugreifen können. Üblicherweise ist eines der beiden Steuergeräte als Master-Steuergerät definiert, das beispielsweise die Betätigung des Gaspedals im Kraftfahrzeug auswertet. Die beiden Steuergeräte sind über eine Kommunikationseinrichtung, z. B. einen CAN-Bus verbunden, so dass das Master-Steuergerät dem Slave-Steuergerät einen Sollwert mitteilen kann, z. B. den gemäß Gaspedal gewünschten Beschleunigungswert oder ein dazu erforderliches Motordrehmoment. Jedes der Steuergeräte kontrolliert die Zündung, Einspritzung usw. der zugehörigen Zylinderbank, wobei auf der Basis der zugehörigen Sensordaten Modellrechnungen für diese Zylinderbank erstellt werden. Derartige Modellrechnungen können sich beispielsweise auf die für die Zylinderbank relevanten Druck- und Luftmassenverhältnisse beziehen.
  • Es ist bekannt, dass die Kommunikation zwischen zwei Steuergeräten immer mit gewissen Zeitverzögerungen belastet ist. Diese Zeitverzögerungen sind nicht definiert, da sie nicht nur von der Entfernung zwischen sendendem und empfangenden Steuergerät, sondern auch von der Auslastung des Datenübertragungsmediums und von anderen Faktoren abhängen können. In der Praxis können bei einem Bussystem, das Daten im Zeitraster von 10 ms austauscht, Nachrichten mit einem variablen Verzug von bis zu 10 ms ankommen. Derartige unkontrollierbare Zeitverzögerungen machen eine Synchronisation zwischen Steuerungsfunktionen, die auf beiden Steuergeräten ablaufen sollen schwierig, insbesondere, wenn die Steuerungsfunktionen winkelsynchrone Funktionen umfassen. Winkelsynchrone Funktionen sind insbesondere bei der Abarbeitung von Maßnahmen zur Zylinderabschaltung relevant, die gemäß einem errechneten Zylinderabschaltmuster bzw. Schema zu erfolgen haben, um das Motormoment schnell und ohne Beeinträchtigung der Laufruhe verringern zu können. Diese Zylinderabschaltmuster werden durch einen vom Master-Steuergerät errechneten Befehl, der z. B. das Sollmoment, einen Motorzustand oder eine Ordnungsnummer des Abschaltmusters zum Inhalt hat, initiiert. Wenn dieser Befehl vom Master-Steuergerät über die mit einer unbekannten Zeitverzögerung behaftete Verbindung zum Slave-Steuergerät übertragen wird, sind die zeitlichen Abläufe der in den Steuergeräten abgearbeiteten Abschaltemaßnahmen nicht synchronisiert. Dies führt zu einem mehr oder weniger zufälligen Abschaltmuster hinsichtlich des Gesamtmotors und in der Folge zu einer – relativ zu einem definierten Abschaltmuster – Verschlechterung der Laufeigenschaften des Motors insgesamt.
  • Bisher wurden die genannten Zeitverzögerungen und ihre Folgen entweder ignoriert, oder es wurde versucht, die Zeitverzögerungen zu verringern, beispielsweise in der aus der DE 44 08 488 A1 bekannten Weise, bei der die übertragenen Daten ent sprechend einer voraussichtlichen Datenübertragungszeit in die Zukunft projiziert werden. Unbekannte Zeitverzögerungen können bei dem bekannten Verfahren jedoch nicht zutreffend berücksichtigt werden.
  • Ein weiterer denkbarer Lösungsansatz ist aus der DE 103 43 057 A1 bekannt. Dort wird, zur Lösung einer ähnlichen Problematik hinsichtlich einer nicht definierten Zeitverzögerung bei der Übertragung von Sensorikdaten zwischen zwei Steuergeräten, die jeweils nur einen Teil aller Sensorikdaten unmittelbar von Sensoren erhalten, vorgeschlagen, die gemäß Programm vorgegebenen Abläufe in den Steuergeräten zeitsynchron mit einem einstellbaren Zeitversatz abzuarbeiten. Der Zeitversatz soll insbesondere in Abhängigkeit von der für den Austausch der Sensorikdaten zwischen den Steuergeräte benötigten Zeitdauer eingestellt werden. Eine derartige Totzeit würde jedoch die Reagibilität der Steuergeräte beeinträchtigen bzw. die Motorsteuerung insgesamt verlangsamen. Eine Regelung des Zeitversatzes wird in der genannten Offenlegungsschrift erwähnt, ohne jedoch auszuführen, an welche Größen diese Regelung anknüpfen könnte.
  • Ausgehend von dieser Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Synchronisation von auf zwei Steuergeräten ablaufenden winkelsynchronen Funktionen zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Erfindungsgemäß ist im einzelnen vorgesehen, dass beim Senden eines eine winkelsynchrone Funktion betreffenden Befehls vom Master-Steuergerät an das Slave-Steuergerät zusätzliche Informationen, die die momentane Motorstellung repräsentieren, mitgesendet werden, und dass das Slave-Steuergerät diese Informationen zusammen mit der bei Empfang dieser Informationen gegebenen momentanen Motorstellung verwendet, um sein Programm winkelsynchron zum Master-Steuergerät abzuarbeiten.
  • Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, zwar die Übertragung der relevanten Befehle und Synchronisationsinformationen in einem zeitbezogenen System vorzunehmen, die Synchronisationsinformationen dann jedoch in eine winkelsynchrone Form zu transformieren, um winkelbezogene Abläufe in beiden Steuergeräten zu synchronisieren. Diese Transformation gelingt, indem mit Hilfe der ereignissynchronen, die Motorposition betreffenden Sensordaten ein gemeinsamer Bezugsrahmen zugrunde gelegt wird, der unabhängig von der mit einer undefinierten Zeitverzögerung behafteten Verbindung zwischen den Steuergeräten ist und der zur Synchronisation benützt wird. Der Motor dient insoweit als 'absoluter', die Winkelsynchronisation ermöglichender Bezugspunkt. Der Vorteil besteht insbesondere darin, dass keine Totzeit abgewartet werden muss und dass das Slave-Steuergerät trotz durch die Nachrichtenübermittlung bedingtem Zeitverlust auf einen aktuellen Stand gebracht wird und mit der Ausführung seiner eigenen winkelsynchronen Funktionen genau da anschließen kann, wo das Master-Steuergerät mit seinen Ablauf inzwischen angekommen ist. Das Slave-Steuergerät kann insofern quasi so agieren, als hätte es eine 'Simultanverbindung' zum Master, es entstehen keine Totzeiten.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung leiten das Master-Steuergerät und das Slave-Steuergerät aus der ihnen zur Verfügung stehenden momentanen Motorstellung durch eine in beiden Steuergeräten gleichartige Repräsentation jeweils einen Zahlenwert ab, wobei das Slave-Steuergerät die Differenz der Zahlenwerte anschließend zur winkelsynchronen Abarbeitung des Programms verwendet.
  • Vorteilhafterweise kann die Motorstellung durch die üblichen Sensoren anhand von Messwerten der Kurbelwelle und/oder der Nockenwelle erfasst werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird das Arbeitsspiel des Motors entsprechend der Anzahl der Zylinder in gleichgroße, aufeinanderfolgende Kreissegmentwinkelbereiche unterteilt, so dass in den Steuergeräten die Nummer des jeweiligen, aktiven Segmentes zur Repräsentation der momentanen Motorstellung herangezogen werden kann. Diese Ausführungsform kann noch dadurch weitergebildet werden, dass das Slave-Steuergerät die vom Master-Steuergerät veranlasste Abarbeitung der zylinderindividuellen Steuereingriffe mit dem programmgemäß und entsprechend der ermittelten Segmentdifferenz nächstmöglichen Zylinder aus der Gruppe der vom Slave-Steuergerät gesteuerten Zylinder beginnt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorteilhaft, aber nicht nur dann einsetzbar, wenn die winkelsynchronen Funktionen Maßnahmen zur individuellen Zylinderabschaltung umfassen.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren der Zeichnung, die eine schematische Übersicht über den Aufbau eines Motors mit zwei Zylinderbänken und zwei Steuergeräten zeigen, dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel, und
  • 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel.
  • 1 zeigt ein erstes Steuergerät SG1, dem eine Zylinderbank ZB1 zugeordnet ist sowie ein zweites Steuergerät SG2, dem eine Zylinderbank ZB2 zugeordnet ist. Die beiden Steuergeräte SG1 und SG2 sind durch ein Kommunikationsmedium K, beispielsweise ein Bussystem verbunden, das mit einer situationsabhängigen Zeitverzögerung belastet ist. In beiden Steuergeräten SG1 und SG2 stehen Informationen über die aktuelle Motorposition zur Verfügung, die beispielsweise von einem an sich bekannten Kurbelwellensensor, vgl. 1, stammen. Die beiden Steuergeräte SG1 und SG2 greifen demnach das gleiche Motorpositionssignal ab. Statt mittels Kurbelwellensignal kann die winkelsynchrone Synchronisierung auch auf eine bestimmte Stellung des Kolbens erfolgen, beispielsweise auf dessen oberen Totpunkt.
  • Das Arbeitsspiel des Motors wird üblicherweise entsprechend der Anzahl der Zylinder in gleichgroße, aufeinanderfolgende Kreissegmentwinkelbereiche (Segmente) unterteilt, die dem Zündabstand entsprechen. Da ein Arbeitsspiel bei einem Viertaktmotor zwei Umdrehungen der Kurbelwelle (720°KW) entspricht, ergeben sich beispielsweise zehn 72°KW-Segmente für einen 10-Zylinder Motor. Den zehn aufeinanderfolgenden Segmenten werden bestimmte Zylinder zugeordnet, wobei die Rei henfolge bzw. Segmentnummer der Zündfolge entsprechen kann. Es kann auch eine physikalische Reihenfolge abgelegt sein. In den Steuergeräten SG1, SG2 kann dann statt des genauen Kurbelwellenwinkels die Nummer des jeweils gegebenen, aktiven Segmentes zur Repräsentation der momentanen Motorstellung herangezogen werden.
  • Wenn das Master-Steuergerät, hier: SG1, einen für eine winkelsynchrone Funktion relevanten Befehl an das Slave-Steuergerät SG2 sendet, wird ein Zahlenwert hinzugefügt, der die aktuelle Motorposition repräsentiert, beispielsweise die Nummer des aktuell aktiven Segmentes. In einer anderen Ausführugnsform kann der Zahlenwert direkt die Motorposition darstellen. Das Slave-Steuergerät SG2 vergleicht den empfangenen Zahlenwert mit der gegenwärtig gegebenen, vom Kurbelwellensensor erfassten Motorposition und nützt die Differenz, um sich mit dem Master-Steuergerät SG1 zu synchronisieren.
  • Das Master-Steuergerät SG1 kann beispielsweise eine selektive Unterdrückung der Einspritzung anordnen, um eine Zylinderabschaltung einzuleiten. Beginnend mit dem nächstmöglichen Zylinder aus der Gruppe der dem Master zugeordneten Zylinder wird das Master-Steuergerät SG1 eine Zylinderabschaltung nach einem definierten Muster vornehmen, wobei das Master-Steuergerät SG1 mit dem an Position 1 dieses Musters stehenden nächstmöglichen Zylinder beginnt. Zusätzlich zu dem entsprechenden Befehl sendet das Master-Steuergerät SG1 die Nummer des aktuell aktiven Segmentes bzw. Zylinders im Rahmen der gleichen Nachricht an das Slave-Steuergerät SG2. Letzteres berechnet die Differenz zwischen der übermittelten Segmentnummer und der beim Verarbeiten der Nachricht gemäß dem dann gegebenen Sensorsignal aktiven Segmentnummer. Abhängig von dieser Segmentdifferenz wird ein gespeicherter Tabellenwert aufgesucht, um das Abschaltmuster winkelsynchron weiterführen zu können. Die Segmentdifferenz bestimmt letztlich, welcher Zylinder aus der Gruppe der dem SG2 zugeordneten Zylinder die Startposition im vom Slave-Steuergerät SG2 auszuführenden Abschaltmuster einnimmt. Ist die Segmentdifferenz 0, so beginnt das Slave-Steuergerät SG2 mit der Abarbeitung an Position 1 seines Abschaltmusters mit dem nächstmöglichen Zylinder.
  • Falls die Segmentdifferenz 1 ist, wird das Slave-Steuergerät SG2 sein Abschaltmuster an der zweiten Position mit dem nächstmöglichen Zylinder beginnen.
  • Zur Emissionsminimierung ist es vorteilhaft, wenn ein vom Slave-Steuergerät SG2 gesteuerter Zylinder, dem ein bereits aktives Segment zugeordnet ist (bei dem also die Einspritzung schon begonnen hat), vom Slave-Steuergerät SG2 bei der Ermittlung des nächstmöglichen Zylinders übergangen wird.
  • Dies gilt auch für das Master-Steuergerät SG1, so dass je nach Abschaltmuster und Motorposition auch der erste abzuschaltende Zylinder auf das Slave-Steuergerät SG2 fallen kann.
  • Das beschriebene Verfahren kann auch dazu verwendet werden, um ein System aus einem Elektromotor EM und einer Brennkraftmaschine BKM zu steuern, wie in 2 dargestellt ist. Dem Elektromotor EM und der Brennkraftmaschine BKM sind Sensoren zugeordnet, die die Winkelpositionen der jeweiligen Motoren BKM, EM erfassen und an die Steuergeräte SG1, SG2 weiterleiten. Das Master-Steuergerät SG1 steuert die Brennkraftmaschine BKM. Das Slave-Steuergerät SG2 steuert den Elektromotor. Die Kombination Elektromotor und Brennkraftmaschine wird beispielsweise in einem Fahrzeug eingesetzt, um das Fahrzeug mit dem Elektromotor und/oder der Brennkraftmaschine anzutreiben. Für eine Synchronisierung der zwei Steuergeräte SG1, SG2 wird das zu 1 beschriebene Verfahren eingesetzt. Diese Abstimmung ist insbesondere bei einer Umschaltung der Drehmomentabgabe von einem Motor auf den anderen vorteilhaft. In einer weiteren Ausbildung können die zwei Steuergeräte SG1, SG2 auch nur einen Elektromotor oder ein System aus zwei Elektromotoren ansteuern, wobei jedes Steuergerät einen Elektromotor ansteuert. Die zwei Motoren, die von den Steuergerä ten SG1, SG2 gesteuert werden, treiben vorzugsweise einen gemeinsamen Antrieb an.

Claims (7)

  1. Verfahren zum Betreiben von mindestens zwei in Master/Slave Konfiguration miteinander verbundenen Motorsteuergeräten eines Motors, die jeweils ein Computerprogramm abarbeiten, das auf die Drehzahl des Motors abgestimmte winkelsynchrone Funktionen umfasst, wobei die Steuergeräte Synchronisationsinformationen austauschen, wobei in den Steuergeräten unabhängig voneinander die gleichen Sensorikdaten der im Arbeitsspiel des Motors erfassten Motorstellung zur Verfügung stehen, dadurch gekennzeichnet, dass bei Senden eines eine winkelsynchrone Funktion betreffenden Befehls vom Master-Steuergerät (SG1) an das Slave-Steuergerät (SG2) zusätzliche Informationen, die die momentane Motorstellung repräsentieren, mitgesendet werden, und dass das Slawe-Steuergerät (SG2) diese Informationen zusammen mit der bei Empfang dieser Informationen gegebenen momentanen Motorstellung verwendet, um sein Programm winkelsynchron zum Master-Steuergerät (SG1) abzuarbeiten.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Master-Steuergerät (SG1) und das Slave-Steuergerät (SG2) aus der ihnen zur Verfügung stehenden momentanen Motorstellung mittels einer in beiden Steuergeräten (SG1, SG2) gleichartigen Repräsentation der jeweiligen momentanen Motorstellung jeweils einen Zahlenwert ableiten, und dass das Slave-Steuergerät (SG2) die Differenz der Zahlenwerte zur winkelsynchronen Abarbeitung des Programms verwendet.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorstellung durch Sensoren anhand von Messwerten der Kurbelwelle (KW) und/oder der Nockenwelle einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine erfasst wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsspiel des Motors entsprechend der Anzahl der Zylinder in gleichgroße, aufeinanderfolgende Kreissegmentwin kelbereiche unterteilt wird, und dass in den Steuergeräten (SG1, SG2) die Nummer des jeweiligen, aktiven Segmentes zur Repräsentation der momentanen Motorstellung herangezogen wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Slave-Steuergerät (SG2) die vom Master-Steuergerät (SG1) veranlasste Abarbeitung der zylinderindividuellen Steuereingriffe mit dem programmgemäß und entsprechend der ermittelten Segmentdifferenz nächstmöglichen Zylinder aus der Gruppe der vom Slave-Steuergerät (SG2) gesteuerten Zylinder beginnt.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein vom Slave-Steuergerät (SG2) gesteuerter Zylinder, dem ein bereits aktives Segment zugeordnet ist, vom Slave-Steuergerät (SG2) bei der Ermittlung des nächstmöglichen Zylinders übergangen wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die winkelsynchronen Funktionen Maßnahmen zur individuellen Zylinderabschaltung umfassen.
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