DE102009043393B4

DE102009043393B4 - Zielrad-Positionsdetektionssysteme

Info

Publication number: DE102009043393B4
Application number: DE102009043393.7A
Authority: DE
Inventors: Julian R. Verdejo; Nicholas John Kalweit; David S. Mathews; Michael R. Grimes
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-10-08
Filing date: 2009-09-29
Publication date: 2018-10-31
Anticipated expiration: 2029-09-30
Also published as: US8176896B2; DE102009043393A1; CN101716929B; US20100083936A1; US20100088010A1; US7918212B2; CN101716929A

Abstract

Steuermodul für ein Fahrzeug, umfassend:
ein Zeitaufzeichnungsmodul, das Zeitstempel, die jedem von N Zähnen eines Zielrades des Fahrzeugs entsprechen, im Speicher speichert, wobei N eine ganze Zahl ist; und
ein Positionsmodul, das M Winkelpositionen auf der Basis der Zeitstempel erzeugt, wobei M eine ganze Zahl ist, die größer ist als eins,
wobei jede der M Winkelpositionen einem Abstand zwischen benachbarten der N Zähne entspricht; und
eine Positionsschätzeinrichtung, die eine Position des Zielrades auf der Basis der M Positionen bestimmt;
wobei das Positionsmodul M Positionen auf der Basis von mindestens einem der folgenden Ausdrücke bestimmt:

x (t) = \frac{1}{6} j_{0} t^{3} + \frac{1}{2} a_{0} t^{2} + v_{0} t + x_{0},

und

x (t) = \frac{A}{(- k) e^{(- kt)}} + Ct + \frac{A}{k}

wobei x die Position ist, x₀ eine Position am Beginn einer Umdrehung des Zielrades ist, vo eine Geschwindigkeit ist, a₀ eine Beschleunigung ist, die einer Differenz zwischen den Geschwindigkeiten am Ende und am Beginn einer Umdrehung des Zielrades entspricht, j₀ ein Ruck am Beginn einer Umdrehung des Zielrades ist, t die Zeit ist, A eine Differenz zwischen der Anfangs- und Enddrehzahl des Zielrades für eine Umdrehung ist, k eine Abfallzeitkonstante ist und C eine Enddrehzahl einer Umdrehung des Zielrades ist.

Description

GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Fahrzeugsteuersysteme und insbesondere auf eine Zielradpositionsdetektion.
HINTERGRUND
Maschinensteuersysteme überwachen die Kurbelwellenposition (Maschinenposition). Die Maschinendrehzahl und die Maschinenbeschleunigung können auf der Basis der Maschinenposition bestimmt werden. Nur als Beispiel können der Kraftstoff, die Zündung und die Drosselposition auf der Basis der Maschinenposition, Maschinendrehzahl und/oder Maschinenbeschleunigung eingestellt werden.
Ein Kurbelwellen-Positionsüberwachungssystem umfasst typischerweise ein Steuermodul, einen Kurbelwellensensor und ein Zielrad, das mit einer Kurbelwelle verbunden ist oder ein Teil davon ist. Das Zielrad kann Zähne aufweisen, die durch den Kurbelwellensensor überwacht werden. Der Kurbelwellensensor erzeugt ein Kurbelwellenpositionssignal, das eine Winkelposition des Zielrades (Maschinenposition) angibt.
Das Steuermodul kann eine Position des Zielrades über einen Kurbelwellensensor in verschiedenen Intervallen (Zeitstempel) detektieren. Als Beispiel kann das Steuermodul die Maschinenposition in Intervallen von größer als oder gleich 90° detektieren. In Intervallen von 90° ist die Auflösung der Maschinenposition gleich vier Positionsabtastwerten pro Umdrehung der Kurbelwelle.
Herkömmliche Systeme zur Zielradpositionsdetektion sind aus den Druckschriften DE 10 2007 046 509 A1 , DE 195 40 674 A1 , DE 102 17 560 A1 und DE 103 56 133 A1 bekannt.
ZUSAMMENFASSUNG
In einer Ausführungsform umfasst ein Steuermodul für ein Fahrzeug ein Zeitaufzeichnungsmodul, das Zeitstempel, die jedem von N Zähnen eines Zielrades des Fahrzeugs entsprechen, im Speicher speichert. N ist eine ganze Zahl. Ein Positionsmodul erzeugt M Winkelpositionen auf der Basis der Zeitstempel. M ist eine ganze Zahl, die größer ist als eins. Jede der M Winkelpositionen entspricht einem Abstand zwischen benachbarten der N Zähne. Eine Positionsschätzeinrichtung bestimmt die Position des Zielrades auf der Basis der M Positionen. Das Positionsmodul bestimmt M Positionen auf der Basis von mindestens einem der folgenden Ausdrücke: $x (t) = \frac{1}{6} j_{0} t^{3} + \frac{1}{2} a_{0} t^{2} + v_{0} t + x_{0},$
und $x (t) = \frac{A}{(- k) e^{(- kt)}} + Ct + \frac{A}{k}$
wobei x die Position ist, x₀ eine Position am Beginn einer Umdrehung des Zielrades ist, vo eine Geschwindigkeit ist, a₀ eine Beschleunigung ist, die einer Differenz zwischen den Geschwindigkeiten am Ende und am Beginn einer Umdrehung des Zielrades entspricht, jo ein Ruck am Beginn einer Umdrehung des Zielrades ist, t die Zeit ist, A eine Differenz zwischen der Anfangs- und Enddrehzahl des Zielrades für eine Umdrehung ist, k eine Abfallzeitkonstante ist und C eine Enddrehzahl einer Umdrehung des Zielrades ist.
In anderen Merkmalen umfasst ein Filter ein Positionsmodul, das ein Signal einer berechneten Position auf der Basis eines Signals einer gemessenen Position erzeugt. Das Signal der gemessenen Position wird durch einen Sensor erzeugt, der N Zähne eines Zielrades eines Fahrzeugs detektiert. Das Signal der berechneten Position wird auf der Basis von M Zahnabstandswerten, die jedem der N Zähne zugeordnet sind, erzeugt. N und M sind ganze Zahlen und M ist größer als eins. Jeder der M Zahnabstandswerte entspricht einem jeweiligen Abstand zwischen benachbarten der N Zähne des Zielrades. Das Positionsmodul erzeugt ein Signal einer geschätzten Position, das der Position des Zielrades entspricht, auf der Basis eines Positionsfehlersignals. Ein erster Komparator vergleicht das Signal der berechneten Position mit dem Signal der geschätzten Position, um das Positionsfehlersignal zu erzeugen. Ein Geschwindigkeitsmodul erzeugt ein Signal einer berechneten Geschwindigkeit auf der Basis des Signals der geschätzten Position und erzeugt ein Signal einer geschätzten Geschwindigkeit auf der Basis eines Geschwindigkeitsfehlersignals. Ein zweiten Komparator vergleicht das Signal der berechneten Geschwindigkeit mit dem Signal der geschätzten Geschwindigkeit, um das Geschwindigkeitsfehlersignal zu erzeugen. Ein Beschleunigungsmodul erzeugt das ein Signal einer berechneten Beschleunigung auf der Basis des Signals der geschätzten Geschwindigkeit und erzeugt ein Signal einer geschätzten Beschleunigung auf der Basis eines Beschleunigungsfehlersignals. Ein dritter Komparator vergleicht das Signal der berechneten Beschleunigung mit dem Signal der geschätzten Beschleunigung, um das Beschleunigungsfehlersignal zu erzeugen.
Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Offenbarung gehen aus der nachstehend gegebenen ausführlichen Beschreibung hervor. Selbstverständlich sind die ausführliche Beschreibung und die speziellen Beispiele nur für Erläuterungszwecke bestimmt.
Figurenliste
Die vorliegende Offenbarung wird aus der ausführlichen Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen vollständiger verständlich, in denen:

1 ein Funktionsblockdiagramm eines Steuersystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist;
2 ein Funktionsblockdiagramm eines Steuersystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist;
3 ein Funktionsblockdiagramm eines Filters auf Kalman-Basis gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist;
4 ein Geschwindigkeitsgraph ist, der ein Filtern gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt;
5 ein Beschleunigungsgraph ist, der ein Filtern gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt;
6 ein Beschleunigungsgraph ist, der eine Zahnvariation gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt;
7 ein Verfahren zum Lernen des Zahnabstandes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt;
8 ein Verfahren zum Bestimmen einer momentanen Maschinengeschwindigkeit und -beschleunigung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt;
9 ein Funktionsblockdiagramm eines Hybrid-Maschinen/Antriebsstrang-Systems mit einer automatischen Start- und Stoppsteuerung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist; und
10 ein Funktionsblockdiagramm eines anderen Hybrid-Maschinen/Antriebsstrang-Systems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ein Steuermodul kann eine Position eines Kurbelwellenzielrades (Maschinenposition) über einen Kurbelwellensensor in verschiedenen Intervallen detektieren. Als Beispiel kann das Steuermodul die Maschinenposition in Intervallen von größer als, gleich oder kleiner als 90° detektieren. Intervalle von größer als oder gleich 90° können als Intervalle mit niedriger Auflösung bezeichnet werden. Intervalle von kleiner als 90° können als Intervalle mit hoher Auflösung bezeichnet werden.
Ein Kurbelwellenzielrad kann beispielsweise 58 Zähne aufweisen; wobei jeder Zahn ungefähr 6° einer Umdrehung zugeordnet ist. Eine feine Auflösung der Maschinenposition kann durch Überwachen jedes Inkrements von 6° bereitgestellt werden. Durch Bereitstellen der feinen Auflösung können verbesserte Positions-, Geschwindigkeits-, Beschleunigungs- und Ruckinformationen in Bezug auf die Maschine erzeugt werden.
Die Abstände zwischen den Zähnen (oder die Breite der Zähne) eines Kurbelwellenzielrades sind im Allgemeinen nicht identisch. Variationen der Abstände können existieren. Diese Variationen können an Herstellungstoleranzen, einer Variation von Teil zu Teil, Zielradsensor- und Zielradsensorsystem-Variationen usw. liegen. Wenn Berechnungen über kleine Intervalle auf einem nominalen Zahnabstandswert von beispielsweise 6° basieren würden, würden die Ergebnisse Fehler enthalten. Die Fehler können die Ergebnisse nutzlos machen.
Die hierin offenbarten Ausführungsformen schaffen Techniken zum genauen Lernen des Zahnabstandes eines Zielrades. Dies ermöglicht, dass ein System Positionsinformationen über kleine Intervalle genau berechnet. Die Ausführungsformen ermöglichen, dass der spezifische Zahnabstand an einem Zielrad einer Maschine während und/oder nach der Produktion eines Fahrzeugs genau gelernt wird.
Die folgende Beschreibung ist dem Wesen nach lediglich beispielhaft. Für die Zwecke der Deutlichkeit werden in den Zeichnungen dieselben Bezugszeichen verwendet, um ähnliche Elemente zu identifizieren. Wie hierin verwendet, sollte der Ausdruck mindestens eines von A, B und C so aufgefasst werden, dass er ein logisches (A oder B oder C) unter Verwendung eines nicht-exklusiven logischen Oders bedeutet. Selbstverständlich können die Schritte innerhalb eines Verfahrens in einer anderen Reihenfolge ausgeführt werden, ohne die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung zu ändern.
Wie hierin verwendet, kann sich der Begriff Modul auf eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, zweckgebunden oder Gruppe) und/oder einen Speicher (gemeinsam genutzt, zweckgebunden oder Gruppe), die ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführen, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen, beziehen, ein Teil davon sein oder dies umfassen.
Zudem bezieht sich der Begriff Verbrennungszyklus, wie hierin verwendet, auch auf die sich wiederholenden Stufen eines Maschinenverbrennungsprozesses. In einer 4-Takt-Brennkraftmaschine kann sich beispielsweise ein einzelner Verbrennungszyklus auf einen Einlasshub, einen Kompressionshub, einen Arbeitshub und einen Auslasshub beziehen und diese umfassen. Die vier Hübe werden während des Betriebs der Maschine wiederholt.
Obwohl die folgenden Ausführungsformen hauptsächlich mit Bezug auf Beispiel-Brennkraftmaschinen beschrieben werden, können die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung außerdem für andere Brennkraftmaschinen gelten. Die vorliegende Erfindung kann beispielsweise für Maschinen mit Kompressionszündung, Funkenzündung, homogener Funkenzündung, homogener Ladungskompressionszündung, Schichtfunkenzündung und funkengestützter Kompressionszündung gelten.
Außerdem werden in der folgenden Beschreibung verschiedene Variablenbezeichnungen offenbart. Die Variablenbezeichnungen werden nur als Beispiele bereitgestellt. Die Variablenbezeichnungen werden willkürlich bereitgestellt und können jeweils verwendet werden, um verschiedene Elemente zu identifizieren oder auf diese Bezug zu nehmen. Die Variablenbezeichnung N kann beispielsweise verwendet werden, um auf eine Anzahl von Zähnen an einem Zielrad oder die Anzahl von Elementen in einer Matrix Bezug zu nehmen.
Näherungen finiter Differenzen für die Geschwindigkeit (Δx/Δt) und die Beschleunigung (Δv/Δt) können auf der Basis von diskret abgetasteten Positions- und Zeitinformationen von einem Kurbelwellenzielradsensor, wie z. B. einer Winkelposition θ, bestimmt werden. Eine beispielhafte Rückwärtsdifferenz für die Geschwindigkeit ist durch den Ausdruck 1 und für Zeitabtastwerte 6 und 7 gezeigt. ${(Δ x /Δ t)}_{7} = (x_{7} - x_{6}) / (t_{7} - t_{6})$
Tatsächliche oder tatsächliche Ableitungen (dx/dt und d²x/dt²), die gleich einer mittleren Ableitung über ein Intervall sind, sind genauer.
Aufeinander folgende Datenpunkte können verwendet werden, um eine Näherung finiter Differenzen für die mittlere Drehzahl zu berechnen. Eine Näherung der momentanen Drehzahl verbessert sich, wenn die Größe der Zeitintervalle abnimmt. Die Näherung wird gegen Messfehler empfindlicher, wenn die Größe der Zeitintervalle abnimmt. Siehe Ausdruck 2. $lim_{Δ t \to 0} \frac{Δ x}{Δ t} = \frac{dx}{dt}$
Jede Berechnung finiter Differenzen ergibt ungeachtet der Intervallgröße die mittlere Ableitung über das entsprechende Intervall, wenn Differenzen von momentanen Größen (nicht mittleren Größen) verwendet werden. Wenn beispielsweise die Position gemessen wird, kann die (tatsächliche) mittlere Geschwindigkeit berechnet werden. Wenn die momentane Geschwindigkeit gemessen wird, kann die (tatsächliche) mittlere Beschleunigung bestimmt werden. Die tatsächliche mittlere Beschleunigung kann nicht auf der Basis der gemessenen Position bestimmt werden. Siehe Beispielausdrücke 3-5 für die Abtastwerte 6 und 7. ${\bar{v}}_{7} = \frac{Δ x}{Δ t} = \frac{(x_{7} - x_{6})}{(t_{7} - t_{6})}$
${\bar{a}}_{7} = \frac{Δ v}{Δ t} = \frac{(v_{7} - v_{6})}{(t_{7} - t_{6})}$
${\bar{a}}_{7} \neq \frac{({\bar{v}}_{7} - {\bar{v}}_{6})}{(t_{7} - t_{6})}$
Die nachstehend beschriebenen Ausführungsformen stellen Zahnlern- und Filtertechniken bereit, die genaue Schätzwerte der momentanen Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung bereitstellen.
Obwohl die folgenden Ausführungsformen hauptsächlich in Bezug auf die Verwendung von Filtern auf Kalman-Basis beschrieben werden, können die Ausführungsformen für andere Anwendungen gelten, die Filter auf Nicht-Kalman-Basis umfassen. In 1 ist nun ein Steuersystem 10 gezeigt. Das Steuersystem 10 umfasst ein Systemsteuermodul 12 wie z. B. ein elektronisches Steuermodul (ECM), das ein Signal 14 einer gemessenen Position von einem Positionssensor 16 empfängt. Der Positionssensor 16 kann ein Kurbelwellenpositionssensor, ein Getriebepositionssensor oder ein Elektromotor-Positionssensor sein. Der Positionssensor 16 detektiert Zähne an einem Zielrad 18. Das Signal 14 der gemessenen Position kann die Position des Zielrades 18 etwa eines Kurbelwellenzielrades, eines Getriebezielrades oder eines Elektromotorzielrades anzeigen. Das Systemsteuermodul 12 kann den Kraftstoff und die Zündung sowie die Drossel- und Phasenstellerposition auf der Basis des Signals 14 der gemessenen Position steuern.
Das Systemsteuermodul 12 umfasst ein Filter 20 auf Kalman-Basis, das Schätzwerte von Signalen 22-26 der momentanen Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung erzeugen kann, die zu verschiedenen Modulen geliefert werden. Die Module können ein Kraftstoffsteuermodul 28, ein Zündsteuermodul 30, ein Drosselsteuermodul 32, ein Phasensteller-Steuermodul 34, ein Maschinenverbrennungsmodul 36, ein Fehlzündungsmodul 38, andere Diagnosemodule 40 usw. umfassen.
Das Maschinenverbrennungsmodul 36 kann Informationen hinsichtlich von Verbrennungsereignissen der Zylinder einer Maschine auf der Basis der Signale 22-26 der momentanen Position, Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung bestimmen. Die Verbrennungsinformationen können verwendet werden, um die Kraftstoffsteuerung, Zündungssteuerung, Drosselposition und/oder Phasenstellersteuerung einzustellen. Die Verbrennungsinformationen können die Kraftstoffzeitsteuerung und die Kraftstoffzuführung, die Zündzeitsteuerung, die Luftzufuhr, Drehmomentschätzungen usw. umfassen. Die momentanen Beschleunigungsinformationen stehen beispielsweise direkt mit der momentanen Drehmomentausgabe einer Maschine in Zusammenhang. Das momentane Drehmoment steht direkt mit Eigenschaften der Verbrennungsereignisse innerhalb der Zylinder einer Maschine in Zusammenhang. Diese Verbrennungsereignisinformationen können dann verwendet werden, um die vorstehend angegebenen Einstellungen und/oder die vorstehend angegebene Steuerung zu schaffen.
Das Fehlzündungsmodul 38 kann Fehlzündungen auf der Basis der Signale 22-26 der momentanen Position, Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung detektieren. Eine Fehlzündung kann sich darauf beziehen, dass ein Kraftstoffgemisch in einem Zylinder einer Maschine nicht zündet und/oder nicht zu einem korrekten Zeitpunkt zündet. Das Fehlzündungsmodul 38 kann die Kraftstoffzeitsteuerung und die Kraftstoffzufuhr, die Zündzeitsteuerung, die Drosselposition und die Phasenstellersteuerung auf der Basis der Fehlzündungsinformation einstellen. Das Kraftstoffsteuermodul 28 stellt die Zeitsteuerung der Kraftstoffeinspritzdüsen, die Menge an Zeit, die sich die Kraftstoffeinspritzdüsen in einem offenen Zustand befinden, und/oder die Größe der Öffnungen von jeder der Kraftstoffeinspritzdüsen ein.
Das Zündsteuermodul 30 stellt beispielsweise die Zeitsteuerung von Zündkerzen ein. Das Zündsteuermodul 30 kann nicht enthalten sein, wenn die offenbarte Ausführungsform auf einen Dieselmotor angewendet wird. Das Drosselsteuermodul 32 kann beispielsweise die Position einer Drosselklappe einstellen, wodurch eine Luftströmung in eine Maschine gesteuert wird. Das Phasensteller-Steuermodul 34 kann die Phasensteller- und Nockenwellenpositionierung relativ zu einer Kurbelwelle der Maschine einstellen. Wenn mehr als eine Nockenwelle enthalten ist, kann das Phasensteller-Steuermodul 34 die relative Positionierung der Nockenwellen einstellen.
In 2 ist nun ein weiteres Steuersystem 50 gezeigt. Das Steuersystem 50 umfasst ein Systemsteuermodul 12' wie z. B. ein ECM und einen Speicher 54. Das Systemsteuermodul 12' umfasst ein Zeitaufzeichnungsmodul 56, ein Filter 20' auf Kalman-Basis, ein Geschwindigkeitseinstellmodul 60 und ein Positionsverlaufsmodul 62. Das Positionsmodul 62 umfasst ein Modul 64 für konstante Beschleunigung, ein Modul 66 für konstanten Ruck und ein Modul 68 für exponentiellen Abfall. Der Speicher 54 umfasst Zeitstempelmatrizen 70, Zahnpositionsmatrizen 72 und eine vereinigte Zahnpositionsmatrix 74.
Das Zeitaufzeichnungsmodul 56 zeichnet Zeitstempel beispielsweise während einer Verlangsamung auf. Die Zeitstempel können während einer Zeitverlaufslernprozedur aufgezeichnet werden. Die Zeitstempel können jedem Zahn an einem Zielrad zugeordnet sein. Die Zeitstempel können beispielsweise den fallenden Flanken der Zähne zugeordnet sein. Die Positions-, Geschwindigkeits- und/oder Beschleunigungsinformationen können auf der Basis der gespeicherten Zeitstempel erhalten werden. Die Zeitstempel können in den Zeitstempelmatrizen 70 gespeichert werden. Für jeden Zahn kann eine andere Zeitstempelmatrix festgelegt werden. Eine Zeitstempelmatrix kann Zeitstempel für einen speziellen Zahn aufweisen, die jeder Umdrehung eines Zielrades entsprechen. N Zeitstempelmatrizen können beispielsweise enthalten sein, wobei jede Zeitstempelmatrix M Elemente umfasst. N und M können ganzzahlige Werte sein. Jedes der M Elemente kann einer speziellen Umdrehung eines Zielrades zugeordnet sein. Siehe beispielsweise Schritte 204-234 von 7 nachstehend.
Das Filter 20' auf Kalman-Basis kann auf der Basis von Informationen vom Zeitaufzeichnungsmodul 56, vom Geschwindigkeitseinstellmodul 60, vom Positionsverlaufsmodul 62 und vom Speicher 54 arbeiten. Die Module 28-40 von 1 können auch auf der Basis von Informationen vom Zeitaufzeichnungsmodul 56, vom Geschwindigkeitseinstellmodul 60, vom Positionsverlaufsmodul 62 und vom Speicher 54 arbeiten.
Das Geschwindigkeitseinstellmodul 60 kann verwendet werden, um die Drehzahl einer Maschine zu erhöhen oder einzustellen, bevor eine Zeitverlaufslernprozedur durchgeführt wird. Sieh beispielsweise nachstehenden Schritt 202 von 7.
Das Positionsverlaufsmodul 62 kann verwendet werden, um Positionsinformationen auf der Basis der Zeitstempel, die in den Zeitstempelmatrizen 70 gespeichert sind, zu bestimmen. Die Positionsinformationen können in den Zahnpositionsmatrizen 72 gespeichert sein. Beispielsweise und in Fortsetzung vom obigen Beispiel können, da N Zeitstempelmatrizen vorhanden sein können, auch N Zahnpositionsmatrizen vorhanden sein, die jedem Zahn des Zielrades zugeordnet sind. Die N Zahnpositionsmatrizen können X Elemente aufweisen, wobei X eine ganze Zahl ist, die gleich M sein kann.
Die Positionsinformationen können über ein Modul 64 für konstante Beschleunigung, ein Modul 66 für konstanten Ruck und/oder ein Modul 68 für exponentiellen Abfall bestimmt werden. Das Modul 64 für konstante Beschleunigung kann Positionsinformationen bestimmen, wie beispielsweise in den Schritten 210-214 von 7 beschrieben. Das Modul 66 für konstanten Ruck kann Positionsinformationen bestimmen, wie beispielsweise in den Schritten 220-224 von 7 beschrieben. Das Modul 68 für exponentiellen Abfall kann Positionsinformationen bestimmen, wie beispielsweise in den Schritten 230-234 von 7 beschrieben.
Das Positionsverlaufsmodul 62 kann die Elemente von jeder der Zahnpositionsmatrizen 72 mitteln. Die resultierenden Mittelwerte können in der vereinigten Zahnpositionsmatrix 74 vereinigt werden, die ein gemitteltes Positionselement für jeden der Zähne des Zielrades umfasst. Ein Beispiel davon ist in den Schritten 214, 224 und 234 von 7 beschrieben.
In 3 ist nun ein Funktionsblockdiagramm eines Filters 20" auf Kalman-Basis gezeigt. Das Filter 20" auf Kalman-Basis kann ein Positionsfiltermodul 100, ein Geschwindigkeitsfiltermodul 102 und ein Beschleunigungsfiltermodul 104 umfassen. Die Module 100-104 umfassen jeweils Positions-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungsrechner 106-110 und Positions-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungsschätzeinrichtungen 112-116. Die Ausgänge der Schätzeinrichtungen 112-116 können als Ausgänge des Filters 20" auf Kalman-Basis bereitgestellt werden. Die Module 100-104 können auf der Basis von Informationen von den Modulen 56, 60 und 62 und vom Speicher 54 von 2 arbeiten.
Der Positionsrechner 106 empfängt ein Signal 120 einer gemessenen Position. Das Signal 120 der gemessenen Position kann durch einen Kurbelwellenpositionssensor, einen Getriebepositionssensor oder einen Elektromotor-Positionssensor erzeugt werden. Die Ausgänge des Positionsrechners 106 und der Positionsschätzeinrichtung 112 werden zu einem ersten Komparator 122 geliefert, der ein Positionsfehlersignal 124 erzeugt, das zur Positionsschätzeinrichtung 112 zurückgeführt wird.
Der Ausgang des Positionsmoduls 100 und/oder der Positionsschätzeinrichtung 112 kann zum Geschwindigkeitsrechner 108 geliefert werden. Die Ausgänge des Geschwindigkeitsrechners 108 und der Geschwindigkeitsschätzeinrichtung 114 werden zu einem zweiten Komparator 124 geliefert, der ein Geschwindigkeitsfehlersignal 126 erzeugt, das zur Positionsschätzeinrichtung 114 zurückgeführt wird.
Der Ausgang des Geschwindigkeitsmoduls 102 und/oder der Geschwindigkeitsschätzeinrichtung 114 kann zum Beschleunigungsrechner 110 geliefert werden. Die Ausgänge des Beschleunigungsrechners 110 und der Beschleunigungsschätzeinrichtung 116 werden zu einem dritten Komparator 130 geliefert, der ein Beschleunigungsfehlersignal 132 erzeugt, das zur Beschleunigungsschätzeinrichtung 116 zurückgeführt wird.
Das Filter 20" auf Kalman-Basis ist eine Zustandsschätzeinrichtung. Die hierin offenbarten Filter auf Kalman-Basis werden verwendet, um die momentane Position, Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung eines Zielrades zu bestimmen und/oder abzuschätzen. Als Teil eines Kalman-Filters sind Gleichungen, die die Dynamik des Systems (z. B. der Maschine) beschreiben, definiert. Diese Gleichungen werden verwendet, um einem Schätzwert der Zustandsvariablen (beispielsweise Maschinenposition, Maschinendrehzahl und Maschinenbeschleunigung) zu erzeugen. Diese Schätzwerte werden mit gemessenen Werten verglichen, um Fehlersignale zu erzeugen, die zurückgeführt werden, um die Schätzwerte zu korrigieren. Eine Diskrepanz zwischen der geschätzten und der gemessenen Maschinendrehzahl wird beispielsweise zurückgeführt, um den Schätzwert der Maschinendrehzahl zu korrigieren.
Das Filter 20" auf Kalman-Basis kann ein Filter 2. Ordnung oder 3. Ordnung sein. In der Implementierung des Filters 2. Ordnung wird ein Zustandsvektor verwendet, der zwei Einträge für Geschwindigkeit und Beschleunigung enthält. Das Filter 2. Ordnung auf Kalman-Basis liefert einen Schätzwert von beispielsweise der Maschinendrehzahl, die mit einer gemessenen Maschinendrehzahl verglichen wird. Die gemessene Maschinendrehzahl kann auf einem Kurbelwellenpositionssignal von einem Kurbelwellensensor basieren. Die Diskrepanz zwischen den geschätzten und gemessenen Werten wird zurückgeführt, um die Schätzwerte der Maschinengeschwindigkeit und der Maschinenbeschleunigung zu verbessern.
Das Filter 3. Ordnung auf Kalman-Basis ist im Allgemeinen genauer als das Filter 2. Ordnung auf Kalman-Basis und wird somit nachstehend genauer beschrieben. Das Filter 3. Ordnung auf Kalman-Basis umfasst einen Zustandsvektor $\vec{x}$
mit drei Einträgen der Position ẋ, der Geschwindigkeit ẍ und der Beschleunigung
Das Filter 3. Ordnung auf Kalman-Basis liefert einen Schätzwert der Position x̂, die mit einer gemessenen Position x verglichen wird. Die gemessene Position x kann auf einem Positionssignal beispielsweise von einem Kurbelwellensensor basieren. Die Diskrepanz zwischen den geschätzten und gemessenen Werten wird als Rückkopplung verwendet, um die Schätzwerte der Position, der Geschwindigkeit und der Beschleunigung zu verbessern.
Zustandsgleichungen, die das System (z. B. die Maschine) beschreiben, werden aufgestellt und vom Filter 3. Ordnung auf Kalman-Basis verwendet. Beispielzustandsgleichungen sind in den Ausdrücken 6 und 7 gezeigt, u, w und v sind jeweils ein Steuereingang, ein Prozessorrauschen und ein Messrauschen. Der Ausdruck 6 umfasst Matrizen A, B und C, die als $[\begin{matrix} 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 0 \end{matrix}], [\begin{array}{l} 0 \\ 0 \\ 0 \end{array}] bzw . [\begin{array}{l} 0 \\ 0 \\ 1 \end{array}]$
definiert sein können. Der Ausdruck 7 umfasst Matrizen D und E, die als [1 0 0] bzw. [0] definiert sein können. Die Matrizen B und E können modifiziert werden, wenn ein Steuereingang eingeführt wird.
Wenn das Filter 3. Ordnung auf Kalman-Basis verwendet wird, basiert die Rückkopplung auf der Position, die tatsächlich gemessen wird. Dies ist anders als ein Filter 2. Ordnung auf Kalman-Basis, das auf der Geschwindigkeit basiert, die geschätzt und nicht tatsächlich gemessen wird. Das Filter 3. Ordnung auf Kalman-Basis stellt Schätzwerte von tatsächlichen Ableitungen bereit. Mit anderen Worten stellt das Filter 3. Ordnung auf Kalman-Basis eine momentane Geschwindigkeit und Beschleunigung anstelle von Näherungen finiter Differenzen bereit.
In 4 ist nun ein Geschwindigkeitsgraph, der das Filtern darstellt, gezeigt. Der Geschwindigkeitsgraph stellt ein Diagramm von drei verschiedenen Geschwindigkeitssignalen 140, 142, 144 bereit. Obwohl das zweite und das dritte Geschwindigkeitssignal 142, 144 als mit einer mittleren Geschwindigkeit, die geringer ist als die mittlere Geschwindigkeit des ersten Geschwindigkeitssignals 140, gezeigt sind, sind das zweite und das dritte Geschwindigkeitssignal 142, 144 im Graphen nach unten verschoben, um zwischen den Diagrammen zu unterscheiden. Die Geschwindigkeitssignale 140, 142, 144 stellen in Wirklichkeit dieselben Geschwindigkeiten relativ zur Zeit dar.
Das erste Geschwindigkeitssignal 140 ist ein Beispieldiagramm von Geschwindigkeiten (Δx/Δt) auf der Basis von Näherungen finiter Differenzen unter Verwendung eines nominalen Zahnabstandes wie z. B. 6° für jede finite Positionsdifferenz. Der nominale Zahnabstand wird für jedes Δx, das jedem Zahn eines Zielrades entspricht, verwendet. Das Diagramm des zweiten Geschwindigkeitssignals 142 stellt Geschwindigkeiten auf der Basis von Bestimmungen finiter Differenzen unter Verwendung von tatsächlichen Zahnabständen dar, die während einer Zahnlernprozedur bestimmt werden. Beispiel-Zahnlernprozeduren werden hierin beschrieben. Für das zweite Geschwindigkeitssignal 142 wird eine spezifische Positionsdifferenz für jeden Zahn bestimmt oder erhalten (z. B. Δx_1-58). Die spezifischen Positionsdifferenzen, die jedem Zahn zugeordnet sind, können im Speicher gespeichert werden. Das dritte Geschwindigkeitssignal 144 ist ein Beispiel einer Filterung 3. Ordnung auf Kalman-Basis des zweiten Geschwindigkeitssignals 142.
In 5 ist nun ein Beschleunigungsgraph, der das Filtern darstellt, gezeigt. Der Beschleunigungsgraph stellt ein Diagramm von drei verschiedenen Beschleunigungssignalen 150, 152, 154 bereit. Obwohl das zweite und das dritte Beschleunigungssignal 152, 154 als mit mittleren Beschleunigungen, die geringer sind als die mittlere Beschleunigung des ersten Beschleunigungssignals 150, gezeigt sind, sind das zweite und das dritte Beschleunigungssignal 152, 154 im Graphen nach unten verschoben, um zwischen den Diagrammen zu unterscheiden. Die Beschleunigungssignale 150, 152, 154 stellen in Wirklichkeit dieselben Beschleunigungen relativ zur Zeit dar.
Das erste Beschleunigungssignal 150 ist ein Beispieldiagramm von Beschleunigungen (Δv/Δt) unter Verwendung von Näherungen finiter Differenzen von Beschleunigungen. Die Näherungen finiter Differenzen von Beschleunigungen werden auf der Basis der Näherungen finiter Differenzen von Geschwindigkeiten unter Verwendung eines nominalen Zahnabstandes wie z. B. 6° für jede finite Positionsdifferenz bestimmt. Wie gezeigt, ist es schwierig, irgendwelche Änderungen der Beschleunigung in Bezug auf Zylinderereignisse auf der Basis des ersten Beschleunigungssignals 150 zu detektieren.
Das zweite Beschleunigungssignal 152 ist ein Beispieldiagramm von Beschleunigungen unter Verwendung von Bestimmungen finiter Differenzen von Beschleunigungen. Die Bestimmungen finiter Differenzen von Beschleunigungen werden auf der Basis von Bestimmungen finiter Differenzen von Geschwindigkeiten unter Verwendung von tatsächlichen Zahnabständen bestimmt, die während einer Zahnlernprozedur bestimmt werden. Für die Bestimmungen finiter Differenzen von Geschwindigkeiten wird eine spezifische Positionsdifferenz für jeden Zahn bestimmt oder erhalten (z. B. Δx_1-58). Die spezifischen Positionsdifferenzen, die jedem Zahn zugeordnet sind, können im Speicher gespeichert werden. Mit den vom Zahnlernen erhaltenen Abstandsinformationen können einige Änderungen und/oder Muster in der Beschleunigung auf der Basis von Zylinderereignissen vom zweiten Beschleunigungssignal 152 detektiert werden. Das dritte Beschleunigungssignal 154 ist ein Beispiel einer Filterung 3. Ordnung auf Kalman-Basis des zweiten Beschleunigungssignals 152. Aus dem dritten Beschleunigungssignal 154 sind Änderungen der Beschleunigung klar und können leicht detektiert werden.
In 6 ist nun ein Beschleunigungsgraph, der eine Zahnvariation darstellt, gezeigt. Der Beschleunigungsgraph ist eine Nahansicht eines Abschnitts des dritten Geschwindigkeitssignals 154 von 5. Vier Sinuszyklen 160-166 sind gezeigt. Die Zyklen 160-166 entsprechen 4 aufeinander folgenden Zylinderereignissen einer Maschine mit vier Zylindern. Die vier Zylinderereignisse sind von verschiedenen Zylindern. Der Beschleunigungsgraph ist als Beispiel bereitgestellt, um Änderungen der Beschleunigung einer Kurbelwelle über verschiedene Zylinderereignisse zu zeigen. Die Verwendung der hierin beschriebenen Zahnlernprozeduren und Filterung auf Kalman-Basis ermöglicht die Detektion von solchen Differenzen und die Einstellung der Maschinensteuerung auf der Basis dessen.
In 7 ist nun ein Verfahren zum Lernen des Zahnabstandes (oder der Zahnbreite) gezeigt. Obwohl die folgenden Schritte hauptsächlich in Bezug auf die Ausführungsformen von 1-3 beschrieben werden, können die Schritte auf andere Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung angewendet werden.
Das Lernen des Zahnabstandes kann stattfinden, wenn bestimmte Bedingungen existieren, beispielsweise wenn die Maschinendrehzahl ungefähr stationär ist oder sich in einer ungefähr gleichmäßigen (nicht schwingenden) Weise ändert. Die Bedingungen können geschaffen sein, wenn die Maschine nicht verbrennt. Dies vermeidet die Überwachung der individuellen Beschleunigungen und Verlangsamungen der Kurbelwelle auf Grund von Zylinderverbrennungsereignissen. Das Verfahren kann in Schritt 200 beginnen.
In Schritt 202 kann die Drehzahl der Maschine auf eine vorbestimmte Drehzahl (z. B. 6000 U/min) erhöht oder gesetzt werden. Dies kann während der Produktion eines Fahrzeugs, wenn ein Fahrzeug gewartet wird, oder während des Betriebs des Fahrzeugs durchgeführt werden.
In Schritt 204 wird die Maschine verlangsamen lassen und die Verbrennung der Maschine wird deaktiviert. Das zugehörige Getriebe der Maschine kann sich in Parkstellung oder in Leerlaufstellung befinden oder kann sich alternativ in einer Stellung mit eingelegtem Gang befinden. In der Stellung mit eingelegtem Gang wird die Maschine durch die Last an der Maschine beispielsweise vom Getriebe, von der Antriebswelle, von der Achse, von den Rädern usw. rückwärts angetrieben.
In Schritt 204A kann der Zündfunke der Maschine deaktiviert werden. In Schritt 204B kann der Kraftstoff der Maschine deaktiviert werden. In der Park- oder Leerlaufstellung nimmt die Maschinendrehzahl ab, wenn der Kraftstoff deaktiviert wird. In Schritt 204C kann die Luftströmung zur Maschine verringert werden. Das Schließen der Drossel verringert Beschleunigungen/Verlangsamungen der Kurbelwelle auf Grund einer eingeschlossenen Masse von Luft und Rückständen der Zylinder der Maschine. Dies minimiert die Menge an eingeschlossenem Gas während der Kompressions- und Expansionshübe und verringert die Beträge der KurbelwellenBeschleunigung/Verlangsamung mit jedem Zylinderereignis. Eine gewisse Kurbelwellen-Beschleunigung/Verlangsamung kann auf Grund von Kräften von sich hin und her bewegenden Massen von beispielsweise Pleuelstangen und Kolben der Maschine verbleiben.
Nachdem die vorstehend erwähnten Bedingungen von Schritt 202-204 erhalten wurden, kann ein Zeitverlauf der Kurbelwellenposition, Kurbelwellengeschwindigkeit und/oder Kurbelwellenbeschleunigung während des Verlaufs einer Zahnlernprozedur bestimmt werden. Die Beschleunigungen und Verlangsamungen der Kurbelwelle auf Grund von individuellen Zylinderereignissen können ignoriert werden, wenn der Zeitverlauf erzeugt wird. Der Zeitverlauf kann unter Verwendung einer Technik mit konstanter Beschleunigung/Verlangsamung (Schritte 210-214) und/oder einer Technik mit konstantem Ruck (Schritte 220-224) und/oder einer Technik mit exponentiellem Abfall (Schritte 230-234) bestimmt werden.
In Schritt 210 leitet die Steuerung ein Zeitverlaufslernen unter einer Annahme ein, dass die Kurbelwelle eine konstante Beschleunigung/Verlangsamung über die Zeit erfährt, in der die Zahnlernprozedur durchgeführt wird. Zeitstempelinformationen werden gesammelt und in jeweiligen Matrizen für jeden Zahn eines Zielrades gespeichert. Ein Eingangsimpuls kann beispielsweise für jede fallende Flanke der Zähne des Zielrades empfangen werden und die dieser fallenden Flanke zugeordnete Zeit wird aufgezeichnet.
Während einer Zahnlernprozedur kann ein Zielrad N Umdrehungen erfahren, wobei N eine ganze Zahl ist. Jede Umdrehung liefert Abtastwerte, die für jeden Zahn gespeichert werden können. Wenn beispielsweise ein Zielrad 58 Zähne aufweist, kann eine Matrix von Zeitstempeldaten für jeden Zahn gespeichert werden. Die Zeitstempelmatrizen können als erster Satz von Matrizen A_1-M bezeichnet werden, wobei jede der Matrizen A_1-M M Elemente aufweist, wobei M eine ganze Zahl wie z. B. 58 ist. Das Zeitverlaufslernen kann für eine vorbestimmte oder Zahnlernzeitdauer aufrechterhalten werden.
In Schritt 212 werden am Ende der Zahnlernzeitdauer die M Zeitstempel, die in jeder der Matrizen A_1-M gespeichert sind, verwendet, um Positionsinformationen für jeden Zahn zu bestimmen. Die Positionsinformationen wie z. B. Winkelposition in Grad oder Zahnabstands- und/oder Zahnbreitenwerte, die jedem Zahn zugeordnet sind, können in einem zweiten Satz von Matrizen B_1-M gespeichert werden. Die Abstands- und/oder Breiteninformationen können aus den Winkelpositionen bestimmt werden. Jede Matrix des zweiten Satzes von Matrizen B_1-M besitzt M Elemente von Positionsdaten.
Die Kurbelwellendrehzahl kann durch eine konstante Verlangsamungsbewegung beschrieben werden. Mit anderen Worten, die Kurbelwellengeschwindigkeit nimmt linear mit der Zeit ab. Eine Gleichung der Kurbelwellenposition als Funktion der Zeit kann durch zweimaliges Integrieren einer Gleichung der Kurbelwellenbeschleunigung geschaffen werden. Eine Beispielgleichung der Kurbelwellenposition x als Funktion der Zeit wird durch den Ausdruck 8 bereitgestellt. vo ist die Geschwindigkeit und x₀ ist die Position am Beginn einer Umdrehung. t ist die Zeit und a₀ ist die Beschleunigung, die einer Differenz zwischen den Geschwindigkeiten am Ende und am Beginn einer Umdrehung eines Zielrades entspricht. $x (t) = \frac{1}{2} a_{0} t^{2} + v_{0} t + x_{0}$
Die in einem zweiten Satz von Matrizen B_1-M gespeicherten Positionsinformationen können unter Verwendung des Ausdrucks 8 bestimmt werden.
In Schritt 214 werden die M Elemente von Positionsdaten, die in jeder Matrix des zweiten Satzes von Matrizen B_1-M gespeichert sind, gemittelt, um einen mittleren Schätzwert des Zahnabstandes (oder einen Mittelwert der Zahnbreite), der jedem Zahn zugeordnet ist, bereitzustellen.
In Schritt 220 leitet die Steuerung ein Zeitverlaufslernen unter einer Annahme ein, dass die Kurbelwelle einen konstanten Ruck über die Zeit erfährt, in der die Zahnlernprozedur durchgeführt wird. Mit anderen Worten, die Kurbelwellenbeschleunigung ändert sich linear mit der Zeit. Zeitstempelinformationen werden gesammelt und in jeweiligen Matrizen für jeden Zahn eines Zielrades gespeichert. Die Zeitstempelmatrizen können als erster Satz von Matrizen C_1-M bezeichnet werden, wobei jede der Matrizen C_1-M M Elemente aufweist. Das Zeitverlaufslernen kann für eine vorbestimmte oder Zahnlernzeitdauer aufrechterhalten werden.
In Schritt 222 werden am Ende der Zahnlernzeitdauer die N in jeder der Matrizen C_1-M gespeicherten Zeitstempel verwendet, um Positionsinformationen für jeden Zahn zu bestimmen. Die Positionsinformationen wie z. B. die Winkelposition in Grad oder Zahnabstands- und/oder Zahnbreitenwerte, die jedem Zahn zugeordnet sind, können in einem zweiten Satz von Matrizen D_1-M gespeichert werden. Jede Matrix des zweiten Satzes von Matrizen D_1-M weist M Elemente von Positionsdaten auf.
Durch dreimaliges Integrieren einer Ruckgleichung wird eine Gleichung für die Kurbelwellenposition als Funktion der Zeit geschaffen. Ein Beispiel dessen wird durch den Ausdruck 9 bereitgestellt, wobei jo der Ruck am Beginn einer Umdrehung eines Zielrades ist. $x (t) = \frac{1}{6} j_{0} t^{3} + \frac{1}{2} a_{0} t^{2} + v_{0} t + x_{0}$
Die in einem zweiten Satz von Matrizen D_1-M gespeicherten Positionsinformationen können unter Verwendung des Ausdrucks 9 bestimmt werden.
In Schritt 224 werden die N Elemente von Positionsdaten, die in jeder Matrix des zweiten Satzes von Matrizen D_1-M gespeichert sind, gemittelt, um einen mittleren Schätzwert des Zahnabstandes (oder einen Mittelwert der Zahnbreite), der jedem Zahn zugeordnet ist, bereitzustellen.
In Schritt 230 leitet die Steuerung ein Zeitverlaufslernen unter einer Annahme ein, dass die Kurbelwelle einen exponentiellen Abfall der Drehzahl über die Zeit erfährt, in der die Zahnlernprozedur durchgeführt wird. Zeitstempelinformationen werden gesammelt und in jeweiligen Matrizen für jeden Zahn eines Zielrades gespeichert. Die Zeitstempelmatrizen können als erster Satz von Matrizen E_1-M bezeichnet werden, wobei jede der Matrizen E_1-M M Elemente aufweist. Das Zeitverlaufslernen kann für eine vorbestimmte oder Zahnlernzeitdauer aufrechterhalten werden.
In Schritt 232 werden am Ende der Zahnlernzeitdauer die in jeder der Matrizen E_1-M gespeicherten N Zeitstempel verwendet, um Positionsinformationen für jeden Zahn zu bestimmen. Die Positionsinformationen wie z. B. Winkelposition in Grad oder Zahnabstands- und/oder Zahnbreitenwerte, die jedem Zahn zugeordnet sind, können in einem zweiten Satz von Matrizen F_1-M gespeichert werden. Jede Matrix des zweiten Satzes von Matrizen F_1-M weist M Elemente von Positionsdaten auf.
Die Geschwindigkeit kann bestimmt werden, wie beispielsweise durch den Ausdruck 10 vorgesehen ist und unter Verwendung des Ausdrucks 11. Die Variable A bezieht sich auf eine anfängliche Geschwindigkeit, bei der ein Zeitverlauf bestimmt wird, minus einer Endgeschwindigkeit. Eine Maschinendrehzahl kann beispielsweise bei 6000 Umdrehungen pro Minute (U/min) liegen, wenn die Steuerung das Zeitverlaufslernen einleitet, und bei 1600 U/min am Ende des Zeitverlaufslernens liegen. Die Variable A ist gleich der anfänglichen Drehzahl (z. B. 6000 U/min) zum Zeitpunkt t gleich null (0) (Beginn der Zahnlernzeitdauer) minus der Enddrehzahl (z. B. 1600 U/min) (Ende der Zahnlernzeitdauer), die durch die Variable C dargestellt ist. C ist eine Konstante und kann gleich der Enddrehzahl (z. B. 1600 U/min) sein. k ist eine Abfallzeitkonstante, die auf der Basis einer Ausgleichskurve für den exponentiellen Abfall, die an den Abfall der Geschwindigkeit als Funktion der Zeit des Zielrades angepasst ist, bestimmt werden kann. Der Ausdruck 11 kann integriert werden, um den Ausdruck 12 bereitzustellen. $v (t) = {Ae}^{(- kt)} + C$
$A = v (t) - C$
$x (t) = \frac{A}{(- k) e^{(- kt)}} + Ct + \frac{A}{k}$
Die in einem zweiten Satz von Matrizen D_1-M gespeicherten Positionsinformationen können unter Verwendung des Ausdrucks 12 bestimmt werden.
In Schritt 234 werden die M Elemente von Positionsdaten, die in jeder Matrix des zweiten Satzes von Matrizen F_1-M gespeichert sind, gemittelt, um einen mittleren Schätzwert des Zahnabstandes (oder einen Mittelwert der Zahnbreite), der jedem Zahn zugeordnet ist, bereitzustellen.
Die vorstehend beschriebenen Schritte sollen erläuternde Beispiele sein; die Schritte können in Abhängigkeit von der Anwendung nacheinander, synchron, gleichzeitig, kontinuierlich, während überlappender Zeitdauern oder in einer anderen Reihenfolge durchgeführt werden. Die vorstehend beschriebenen Zahnlerntechniken können eine Zahnabstandsgenauigkeit von ungefähr 0,01° oder besser ermöglichen. Die mittleren Positionsinformationen von den Schritten 214, 224 und 234 können für jeden Zahn gemittelt oder kombiniert werden, um einen kombinierten Schätzwert der Positionsinformationen entsprechend jedem Zahn des Zielrades bereitzustellen.
In 8 ist nun ein Verfahren zum Bestimmen der momentanen Maschinengeschwindigkeit und -beschleunigung gezeigt. Obwohl die folgenden Schritte hauptsächlich mit Bezug auf die Ausführungsformen von 1-3 beschrieben werden, können die Schritte auf andere Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung angewendet werden. Das Verfahren kann in Schritt 300 beginnen.
In Schritt 302 werden die tatsächliche Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung auf der Basis eines Signals einer gemessenen Position und auf der Basis des Zahnabstandslernens, wie z. B. des in 7 durchgeführten, bestimmt. Die tatsächliche Maschinenposition und -geschwindigkeit sind Schätzwerte der momentanen Position und Geschwindigkeit. Die tatsächliche Geschwindigkeit wird auf der Basis einer vorbestimmten Abstandsinformation jedes Zahns bestimmt. Wenn beispielsweise ein nominaler Zielradabstand 6° ist, wird der jedem Zahn des Zielrades zugeordnete tatsächliche Abstand verwendet, wie z. B. 5,9°, 6,1°, 6,05° usw. Die tatsächliche Geschwindigkeit kann durch Dividieren finiter Differenzen im tatsächlichen Abstand durch die jedem Zahn zugeordnete Zeit für eine Umdrehung des Zielrades Δt bestimmt werden. Die tatsächliche Beschleunigung kann unter Verwendung von Näherungen finiter Differenzen bestimmt werden. Die tatsächliche Beschleunigung beispielsweise für jeden Zahn kann auf der Basis von bestimmten tatsächlichen Geschwindigkeiten am Beginn und am Ende einer Periode, die diesem Zahn zugeordnet ist, dividiert durch Δt, bestimmt werden.
In Schritt 304 wird ein Schätzwert einer Maschinenposition, -geschwindigkeit und -beschleunigung bestimmt. Die geschätzte Maschinenposition wird auf der Basis eines Positionsfehlersignals erzeugt. Die geschätzte Maschinengeschwindigkeit wird auf der Basis eines Geschwindigkeitsfehlersignals erzeugt. Die geschätzte Maschinenbeschleunigung wird auf der Basis eines Beschleunigungsfehlersignals erzeugt.
In Schritt 306 werden die tatsächliche Maschinenposition, -geschwindigkeit und -beschleunigung jeweils mit der geschätzten Maschinenposition, -geschwindigkeit und -beschleunigung verglichen, um die Positions-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungsfehlersignale zu erzeugen.
In Schritt 308 werden die Signale der geschätzten Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung auf der Basis der Positions-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungsfehlersignale korrigiert. Dies kann das Einstellen der Positions-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungskomponenten eines Zustandsvektors, wie z. B. des A-Vektors des obigen Ausdrucks 6, umfassen.
In Schritt 310 können die Signale der geschätzten Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung ausgegeben werden. Die ausgegebenen Signale der geschätzten Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung können verwendet werden, um verschiedene Aspekte einer Maschine zu steuern, wie vorstehend beschrieben.
Die vorstehend beschriebenen Schritte sollen erläuternde Beispiele sein; die Schritte können in Abhängigkeit von der Anwendung nacheinander, synchron, gleichzeitig, kontinuierlich, während überlappender Zeitdauern oder in einer anderen Reihenfolge durchgeführt werden. Das vorstehend beschriebene Verfahren stellt Schätzwerte der momentanen Maschinendrehzahl und -beschleunigung mit minimalem Rauschen bereit.
Die hierin offenbarten Ausführungsformen schaffen ein Zahnlernen, einschließlich eines Lernens des Zahnabstandes, das verwendet wird, um durch einen inkonsistenten Zahnabstand verursachtes Rauschen zu minimieren. Die Verwendung eines Kalman-Filters, wie hierin beschrieben, minimiert Rauschen von verschiedenen Quellen. Die Verwendung des Kalman-Filters ermöglicht die Minimierung von Rauschen von mehreren Rauschquellen, ändert jedoch ein primäres Signal nicht signifikant.
Beispiele von Rauschen von verschiedenen Quellen sind: die Variation von Zahn zu Zahn, Variationen, nachdem der Zahnabstand „gelernt“ ist, Rauschen, das durch eine Schwingung eines Maschinenblocks erzeugt wird, eine Variation auf Grund von elektrischem Rauschen, das den Drähten übermittelt wird (elektromagnetische Störung), eine Variation der Sensoransprechzeit auf den Durchlauf einer Zahnflanke, das Biegen von Komponenten zwischen einem Kolben und einem Zahnzielrad usw.
Das Kalman-Filter kann ein Modell des dynamischen Betriebs eines Maschinensystems umfassen. Auf der Basis eines Verlaufs von Messungen schätzt das Kalman-Filter ab, welches ein nächster Abtastwert (z. B. der Maschinenposition, -geschwindigkeit und/oder -beschleunigung) sein sollte. Das Kalman-Filter verwendet einen Verlauf von Fehlern zwischen Schätzwerten und Messwerten, um das Rauschen im Maschinensystem zu charakterisieren. Auf der Basis dessen, was das Kalman-Filter über das Rauschen lernt, stellt das Kalman-Filter einen verbesserten Schätzwert (z. B. der Position, Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung) bereit. Dies wird iterativ durchgeführt, um den Schätzwert schrittweise zu verbessern und ein Signal mit minimalem Rauschen zu liefern.
Das Rauschen kann statisches Rauschen und zufälliges Rauschen umfassen. Das statische und das zufällige Rauschen können an einer Variation der Sensoransprechzeit auf eine durchlaufende Zahnflanke, einer Variation von Zahn zu Zahn und einer Variation der magnetischen Eigenschaften in einem Bereich eines Zielrades gegenüber einem anderen liegen. Eine ungleichmäßige Erwärmung und Merkmale, die in ein Zielrad eingebettet sind, können die elektrischen Flanken (detektierten Zahnflanken), die jedem Zahn eines Zielrades zugeordnet sind, verzerren. An sich bestehen elektrische und mechanische Variationen, die den Zähnen eines Zielrades zugeordnet sind. Einige der elektrischen und mechanischen Variationen sind statisch (reproduzierbar) und einige sind nicht reproduzierbar (Jitter).
Das vorstehend beschriebene Zahnlernen ermöglicht die Entfernung des statischen Rauschens. Das Kalman-Filter entfernt das nicht reproduzierbare Rauschen, das nicht vom System gelernt wird. Der Jitter kann Rauschen bei einer Kurbelwellenpositionsmessung einführen und verschlechtert somit die Qualität dieser Messung.
Das Kalman-Filter arbeitet als Zustandsschätzeinrichtung und kann Daten aufweisen, die den Begrenzungen einer Maschine oder eines Positionsdetektionssystems zugeordnet sind. Wenn die Frequenz des detektierten Jitters unrealistisch hoch ist, lässt das Kalman-Filter effektiv den Jitter außer Acht oder ignoriert ihn. Wenn das Kalman-Filter nacheinander ein paar Niederfrequenz-Jitter-Signale empfängt, ermöglicht das Kalman-Filter den Durchgang dieses Jitters. Der Niederfrequenz-Jitter wird durchgelassen, wenn zwei kleine Erhöhungen des Rauschens dem Modell des dynamischen Verhaltens einer Maschine entsprechen. Dies ist wahrscheinlich nicht der Empfang eines Hochfrequenz-Jitters, der ein großes „Echozeichen“ liefert, das ein unrealistisches Verhalten der Maschine oder des Positionsdetektionssystems ist. Das Kalman-Filter lässt Signale durch, die dem erwarteten Verhalten eines Systems genau ähneln.
Die hierin offenbarten Ausführungsformen können auf verschiedene Zeitintervalle angewendet werden, die einem Kurbelwellenzielrad zugeordnet sind. Bei Intervallen mit hoher Auflösung stellen die Ausführungsformen genaue Schätzwerte der momentanen Maschinengeschwindigkeit und -beschleunigung bereit. Die Ausführungsformen können mit Zielrädern mit einer beliebigen Anzahl von Zähnen verwendet werden; beispielsweise 360x. Die Ausführungsformen sind nicht auf die Signalverarbeitung der Kurbelwellenposition begrenzt, sondern können vielmehr auf die Signalverarbeitung einer Getriebeposition und/oder Elektromotorposition angewendet werden. Die Ausführungsformen können verwendet werden, um die momentane Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung eines Getriebes und/oder eines Elektromotors abzuschätzen.
Die momentane Maschinendrehzahl und -beschleunigung, die von den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt werden, können verwendet werden, um Steuerungs- und Diagnosestrategien zu verbessern. Die Informationen können beispielsweise für eine Fehlzündungsdiagnose verwendet werden, um die Maschinenverbrennungsleistung in Echtzeit zu folgern und zu überwachen und um die Maschinenleistung zu verbessern.
In 9 ist nun ein beispielhaftes Hybrid-Maschinen/AntriebsstrangSystem 410 mit vorstehend beschriebenen Zahnlern-, Filter- und Positionsbestimmungstechniken gezeigt. Obwohl das Maschinen/Antriebsstrang-System 410 als Hinterradantriebs-Maschinen/Antriebsstrang (RWD-Maschinen/Antriebsstrang) dargestellt ist, ist zu erkennen, dass die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung mit einer beliebigen anderen Maschinen/Antriebsstrang-Konfiguration verwendet werden können. Das Maschinen/Antriebsstrang-System 410 umfasst ein Antriebssystem 412 und ein Antriebsstrangsystem 414. Das Antriebssystem 412 umfasst eine Brennkraftmaschine (ICE) 416 und einen Elektromotor oder eine Motorgeneratoreinheit (MGU) 418. Das Antriebssystem 412 kann auch Hilfskomponenten umfassen, einschließlich eines A/ C-Kompressors 420 und einer Lenkpumpe 422, ist jedoch nicht darauf begrenzt. Die MGU 18 und die Hilfskomponenten sind mit der ICE 416 unter Verwendung eines Riemen- und Riemenscheibensystems 424 gekoppelt. Das Riemen- und Riemenscheibensystem 424 kann mit einer Kurbelwelle 426 der ICE 416 gekoppelt sein und ermöglichen, dass ein Drehmoment zwischen der Kurbelwelle 426 und der MGU 418 und/oder den Hilfskomponenten übertragen wird. Diese Konfiguration wird als Riemen-Drehstromgenerator-Starter-System (BAS-System) bezeichnet.
Die Kurbelwelle 426 treibt das Antriebsstrangsystem 414 an. Das Antriebsstrangsystem 414 umfasst eine Flexplatte oder ein Schwungrad (nicht dargestellt), einen Drehmomentwandler oder eine andere Kopplungsvorrichtung 430, ein Getriebe 432, eine Kardanwelle 434, ein Differential 436, Achswellen 438, Bremsen 440 und angetriebene Räder 442. Ein Antriebsdrehmoment (T_PROP), das an der Kurbelwelle 46 der ICE 416 ausgegeben wird, wird über die Antriebsstrangsystemkomponenten übertragen, um ein Achsdrehmoment (T_AXLE) an den Achswellen 438 bereitzustellen, um die Räder 442 anzutreiben. Das Achsdrehmoment T_AXLE kann als Maschinen/Antriebsstrang-Ausgangsdrehmoment bezeichnet werden. Insbesondere wird T_PROP mit mehreren Übersetzungsverhältnissen, die durch die Kopplungsvorrichtung 430, das Getriebe 432 und das Differential 436 geschaffen werden, multipliziert, um T_AXLE an den Achswellen 438 bereitzustellen. Im Wesentlichen wird T_PROP mit einem effektiven Übersetzungsverhältnis multipliziert, das eine Funktion eines durch die Kopplungsvorrichtung 430 eingeführten Verhältnisses, eines durch Getriebe-Antriebs/Abtriebs-Wellen-Drehzahlen bestimmten Getriebeübersetzungsverhältnisses, eines Differentialverhältnisses sowie irgendeiner anderen Komponente ist, die ein Verhältnis im Antriebsstrangsystem 414 einführen kann (z. B. ein Verteilergetriebe in einem Maschinen/Antriebsstrang für Vierradantrieb (4WD) oder Allradantrieb (AWD)). Für die Zwecke der Drehmomentsteuerung umfasst der T_AXLE-Bereich die ICE 416 und die MGU 418.
Der Maschinen/Antriebsstrang 410 umfasst auch ein Steuersystem 450, das eine Drehmomentausgabe der MGU 418 während automatischer Starts der Maschine 416 steuert. Das Steuersystem 450 umfasst ein Systemsteuermodul 451, das ein Getriebesteuermodul (TCM) 452, ein Maschinensteuermodul (ECM) 454 und ein Hybridsteuermodul (HCM) 456 umfassen kann. Das Steuersystem 450 kann die Drehmomentausgabe der MGU 418 auf der Basis der Drehzahl der MGU 418 steuern, die durch einen Drehzahlsensor 451 detektiert werden kann. Die Informationen vom Drehzahlsensor 451 können direkt zum HCM 456 geliefert werden. Dies ermöglicht eine schnelle Detektion der Drehzahl der MGU 418 und die Einstellung des Ausgangsdrehmoments der MGU 418. Das Ausgangsdrehmoment kann auf eine Kurbelwelle der Maschine 416 aufgebracht werden.
Das Systemsteuermodul 451 steuert das Maschinen/Antriebsstrang-Ausgangsdrehmoment, das über das TCM 452, das ECM 454 und das HCM 456 erzeugt wird. Das Systemsteuermodul 451 kann das Maschinen/Antriebsstrang-Ausgangsdrehmoment auf der Basis eines Zahnlernens, das in Zusammenhang mit Zielrädern der Maschine 416, der MGU 418 und/oder des Getriebes 432 durchgeführt wird, steuern. Das HCM 456 kann ein oder mehrere Untermodule, einschließlich eines BAS-Steuerprozessors (BCP) 458, umfassen, ist jedoch nicht darauf begrenzt. Das TCM 452, das ECM 454 und das HCM 456 kommunizieren über einen Controller-Bereichsnetz-Bus (CAN-Bus) 460 miteinander. Ein Fahrereingang 462 kommuniziert mit dem ECM. Der Fahrereingang 462 kann ein Fahrpedal und/oder ein Geschwindigkeitsregelsystem umfassen, ist jedoch nicht darauf begrenzt. Eine Fahrerschnittstelle 464 kommuniziert mit dem TCM 452. Die Fahrerschnittstelle 464 umfasst einen Getriebebereichswähler (z. B. einen PRNDL-Hebel), ist jedoch nicht darauf begrenzt. Das Systemsteuermodul 451 kann mit dem Speicher 465 kommunizieren.
Das Steuersystem 450 kann auf der Basis einer koordinierten Drehmomentsteuerung arbeiten, die einen Achsdrehmomentbereich und einen Antriebsdrehmomentbereich umfassen kann. T_PROP ist das Kurbelwellen-Ausgangsdrehmoment, das den EM-Drehmoment-Beitrag umfassen kann. Die koordinierte Drehmomentsteuerung gemäß der vorliegenden Offenbarung implementiert eine Achsdrehmoment-Zuteilung (T_AXLE-Zuteilung) im ECM, um ein zugeteiltes Achsdrehmoment (T_AXLEARB) bereitzustellen, und teilt die Antriebsdrehmoment-Steuerverantwortung auf das ECM und das HCM auf. Diese koordinierte Drehmomentsteuerung mit aufgeteiltem Antrieb erleichtert den Komponentenschutz, die Maschinenüberdrehzahlverhinderung und die Systemabhilfe neben anderen Drehmomentanforderungen im ECM. Die Hybrid-Antriebsdrehmomentsteuerung kann im HCM fortfahren, wenn das ECM endet, und implementiert die Getriebedrehmomentsteuerung, das Nutzbremsen und die Maschinenüberdrehzahlverhinderung neben anderen Drehmomentanforderungen.
Die koordinierte Drehmomentsteuerung kann die Fahrpedalposition (α_PED) und die Fahrzeuggeschwindigkeit (V_VEH) überwachen. Ein vom Fahrer beabsichtigtes oder gewünschtes Achsdrehmoment (T_AXLEDES) wird auf der Basis von α_PED und VVEH bestimmt. α_PED und VVEH können beispielsweise als Eingaben in eine vorkalibrierte, im Voraus gespeicherte Nachschlagetabelle verwendet werden, die ein entsprechendes T_AXLEDES bereitstellt. Das ECM 454 teilt T_AXLEDES und andere Drehmomentanforderungen zu, um T_AXLEARB bereitzustellen. Die anderen Drehmomentanforderungen umfassen eine oder mehrere Drehmomentanforderungen, die in einem Achsdrehmoment-Anforderungssatz bereitgestellt werden. Die Drehmomentanforderungen werden durch ein Drehmomentmerkmal erzeugt und umfassen einen absoluten Drehmomentwert, einen minimalen Drehmomentgrenzwert, einen maximalen Drehmomentgrenzwert oder eine Delta-Drehmomentwert-Anforderung, sind jedoch nicht darauf begrenzt. Die dem Achsdrehmoment-Anforderungssatz zugeordneten Drehmomentmerkmale umfassen ein Traktionskontrollsystem (TCS), ein Fahrzeugstabilitäts-Verbesserungssystem (VSES) und ein Fahrzeugüberdrehzahl-Schutzsystem (VOS), sind jedoch nicht darauf begrenzt. Beim Bestimmen von T_AXLEARB wird T_AXLEARB unter Verwendung des effektiven Übersetzungsverhältnisses in ein Antriebsdrehmoment (T_PROPECM) im ECM 454 umgesetzt. Nachdem T_PROPECM bestimmt wurde, teilt das ECM 454 T_PROPECM und andere Antriebsdrehmomentanforderungen, für die das ECM 454 verantwortlich ist, zu, um ein endgültiges T_PROPECM zum HCM 456 zu liefern.
Das HCM 456 kann eine Drehmomentanforderung ausgeben, um die Maschinenverbrennungs-Drehmomentausgabe durch Deaktivieren der Maschinenzylinder (z. B. durch Absperren des Kraftstoffs zu den Zylindern) auf null zu setzen. Dies kann während Fahrzeugausrollsituationen stattfinden, wenn die Fahrpedalposition null ist. Der Kraftstoff wird beispielsweise abgesperrt und das Nutzbremsen des Fahrzeugs beginnt, die kinetische Energie des Fahrzeugs in eine elektrische Leistung über die MGU 418 zu überführen. Um dies zu erleichtern, wird eine Drehmomentwandler-Überbrückungskupplung, die das Raddrehmoment mit der Kurbelwelle verbindet, eingekuppelt. Dadurch wird die MGU 418 angetrieben. Folglich wird eine Drehmomentanforderung, die in die Antriebsdrehmomentzuteilung des ECM 454 geht, vom HCM 456 geliefert, so dass zwei Drehmomentanforderungen in die Antriebsdrehmomentzuteilung des ECM 454 eingehen: die Fahrer/Fahrt-Antriebsdrehmomentanforderung (zugeteiltes Achsdrehmoment) und eine Drehmomentanforderung mit null Kraftstoff des HCM 456.
Das TCM 452 liefert einen zugeteilten Antriebsdrehmomentwert (T_PROPTCM). Insbesondere teilt das TCM 452 Drehmomentanforderungen von Drehmomentmerkmalen zu. Ein beispielhaftes TCM-Drehmomentmerkmal ist ein Getriebeschutzalgorithmus, der eine maximale Drehmomentgrenze erzeugt, um das Drehmoment an der Getriebeantriebswelle zu begrenzen. Die maximale Drehmomentgrenze gibt das maximale zulässige Drehmoment durch die Getriebeantriebswelle an, um Getriebekomponenten zu schützen.
Sowohl T_PROPECM vom ECM 454 als auch T_PROPTCM vom TCM 452 werden zum HCM 456 gesandt, was die T_PROP-Zuteilung vollendet. Insbesondere teilt das HCM 456 T_PROPECM, T_PROPECM und andere Drehmomentanforderungen zu, um T_PROPFINAL bereitzustellen. Die anderen Drehmomentanforderungen umfassen eine oder mehrere Drehmomentanforderungen, die in einem Antriebsdrehmoment-Anforderungssatz bereitgestellt werden. Die Drehmomentanforderungen werden jeweils durch ein Drehmomentmerkmal erzeugt und umfassen einen absoluten Drehmomentwert, einen minimalen Drehmomentgrenzwert, einen maximalen Drehmomentgrenzwert oder eine Delta-Drehmomentwert-Anforderung, sind jedoch nicht darauf begrenzt. Die dem Antriebsdrehmoment-Anforderungssatz zugeordneten Drehmomentmerkmale umfassen Nutzbremsen, Maschinenüberdrehzahlschutz und EM-Verstärkung, sind jedoch nicht darauf begrenzt.
Das HCM 456 bestimmt T_ICE und T_EM auf der Basis von T_PROPFINAL. Insbesondere umfasst das HCM 456 einen Optimierungsalgorithmus, der T_PROPFINAL auf der Basis der verfügbaren Drehmomentausgabe von jeder der ICE 416 und der MGU 418 aufteilt. T_ICE wird zum ECM 454 gesandt, das Steuersignale zum Erreichen von T_ICE unter Verwendung der ICE 416 erzeugt. Das HCM 456 erzeugt Steuersignale auf der Basis von T_EM zum Erreichen von T_EM unter Verwendung der MGU 418.
In 10 ist nun ein Funktionsblockdiagramm eines Maschinensystems 500, das die vorstehend beschriebenen Zahnlern-, Filter- und Positionsbestimmungsverfahren beinhaltet, dargestellt. Das Maschinensystem 500 kann für ein Hybrid-Elektrofahrzeug konfiguriert sein. Das Maschinensystem 500 umfasst eine Maschine 502, die ein Luft/Kraftstoff-Gemisch verbrennt, um ein Antriebsdrehmoment für ein Fahrzeug zu erzeugen, und eine MGU 503, die mit einer Leistungsquelle 505 verbunden sein kann oder mit dieser kommunizieren kann. Die Leistungsquelle kann eine oder mehrere Batterien umfassen. Luft wird durch ein Drosselventil 512 in einen Einlasskrümmer 510 gesaugt. Ein Systemsteuermodul 514 kann das Maschinensystem 500 und die entsprechenden Module und Vorrichtungen des Maschinensystems 500 auf der Basis eines Zahnlernens, das in Zusammenhang mit Zielrädern der Maschine 502, der MGU 503 und/oder einem Elektromotor-Getriebesystem 602 durchgeführt wird, steuern.
Ein Systemsteuermodul 514 befiehlt einem Drosselaktuatormodul 516, das Öffnen des Drosselventils 512 zu steuern, um die Menge der in den Einlasskrümmer 510 gesaugten Luft zu steuern. Luft vom Einlasskrümmer 510 wird in Zylinder der Maschine 502 gesaugt. Die Maschine 502 kann eine beliebige Anzahl von Zylindern umfassen. Das Systemsteuermodul 514 kann ein Zylinderaktuatormodul 520 anweisen, einige der Zylinder selektiv zu deaktivieren, um die Kraftstoffsparsamkeit zu verbessern.
Luft vom Einlasskrümmer 510 wird durch ein Einlassventil 522 in den Zylinder 518 gesaugt. Das ECM 514 steuert die Menge des durch ein Kraftstoffeinspritzsystem 524 eingespritzten Kraftstoffs. Das Kraftstoffeinspritzsystem 524 kann Kraftstoff in den Einlasskrümmer 510 an einer zentralen Stelle einspritzen oder kann Kraftstoff in den Einlasskrümmer 510 an mehreren Stellen einspritzen, wie z. B. nahe dem Einlassventil von jedem der Zylinder. Alternativ kann das Kraftstoffeinspritzsystem 524 Kraftstoff direkt in die Zylinder einspritzen.
Der eingespritzte Kraftstoff vermischt sich mit der Luft und erzeugt das Luft/Kraftstoff-Gemisch im Zylinder 518. Ein Kolben (nicht dargestellt) innerhalb des Zylinders 518 komprimiert das Luft/Kraftstoff-Gemisch. Auf der Basis eines Signals vom Systemsteuermodul 514 erregt ein Zündfunkenaktuatormodul 526 eine Zündkerze 528 im Zylinder 518, die das Luft/Kraftstoff-Gemisch zündet. Die Zeitsteuerung des Zündfunkens kann relativ zu dem Zeitpunkt spezifiziert werden, zu dem sich der Kolben an seiner obersten Position befindet, die als oberer Totpunkt (TDC) bezeichnet wird, der Punkt, an dem das Luft/Kraftstoff-Gemisch am stärksten komprimiert wird.
Die Verbrennung des Luft/Kraftstoff-Gemisches treibt den Kolben nach unten, wodurch eine sich drehende Kurbelwelle (nicht dargestellt) angetrieben wird. Der Kolben beginnt dann, sich wieder nach oben zu bewegen und stößt die Verbrennungsnebenprodukte durch ein Auslassventil 530 aus. Die Verbrennungsnebenprodukte werden aus dem Fahrzeug über ein Auslasssystem 534 ausgelassen. Abgas strömt durch einen Katalysator 535 hindurch.
Das Einlassventil 522 kann durch eine Einlassnockenwelle 540 gesteuert werden, während das Auslassventil 530 durch eine Auslassnockenwelle 542 gesteuert werden kann. In verschiedenen Implementierungen können mehrere Einlassnockenwellen mehrere Einlassventile pro Zylinder steuern und/oder können die Einlassventile von mehreren Gruppen von Zylindern steuern. Ebenso können mehrere Auslassnockenwellen mehrere Auslassventile pro Zylinder steuern und/oder können Auslassventile für mehrere Gruppen von Zylindern steuern. Das Zylinderaktuatormodul 520 kann die Zylinder deaktivieren, indem es die Lieferung von Kraftstoff und des Zündfunkens anhält und/oder ihre Auslass- und/oder Einlassventile deaktiviert.
Der Zeitpunkt, zu dem das Einlassventil 522 geöffnet wird, kann in Bezug auf den Kolben-TDC durch einen Einlassnocken-Phasensteller 548 verändert werden. Der Zeitpunkt, zu dem das Auslassventil 530 geöffnet wird, kann in Bezug auf den Kolben-TDC durch einen Auslassnocken-Phasensteller 550 verändert werden. Ein Phasensteller-Aktuatormodul 558 steuert den Einlassnocken-Phasensteller 548 und den Auslassnocken-Phasensteller 550 auf der Basis von Signalen vom ECM 514.
Das Maschinensystem 500 kann eine Ladevorrichtung umfassen, die Druckluft zum Einlasskrümmer 510 liefert. 2 stellt beispielsweise einen Turbolader 560 dar. Der Turbolader 560 wird durch Abgase, die durch das Auslasssystem 534 strömen, angetrieben und liefert eine Druckluftladung zum Einlasskrümmer 510. Der Turbolader 560 kann die Luft komprimieren, bevor die Luft den Einlasskrümmer 510 erreicht.
Ein Ladedruckbegrenzer 564 kann ermöglichen, dass das Abgas den Turbolader 560 umgeht, wodurch der Ausgang (oder der Ladedruck) des Turboladers verringert wird. Das Systemsteuermodul 514 steuert den Turbolader 560 über ein Ladedruckaktuatormodul 562. Das Ladedruckaktuatormodul 562 kann den Ladedruck des Turboladers 560 durch Steuern der Position des Ladedruckbegrenzers 564 modulieren. Die Druckluftladung wird durch den Turbolader 560 zum Einlasskrümmer 510 geliefert. Ein Ladeluftkühler (nicht dargestellt) kann ein Teil der Wärme der Druckluftladung ableiten, die erzeugt wird, wenn die Luft komprimiert wird, und auch durch die Nähe zum Auslasssystem 534 erhöht werden kann. Alternative Maschinensysteme können einen Lader umfassen, der Druckluft zum Einlasskrümmer 510 liefert und durch die Kurbelwelle angetrieben wird.
Das Maschinensystem 500 kann ein Abgas-Rückführungsventil (EGR-Ventil) 570 umfassen, das selektiv Abgas zum Einlasskrümmer 510 zurücklenkt. In verschiedenen Implementierungen kann das EGR-Ventil 570 nach dem Turbolader 560 angeordnet sein. Das Maschinensystem 500 kann die Drehzahl der Kurbelwelle in Umdrehungen pro Minute (U/min) unter Verwendung eines Drehzahlsensors 580 messen. Die Temperatur des Maschinenkühlmittels kann unter Verwendung eines Maschinenkühlmittel-Temperatursensors (ECT-Sensors) 582 gemessen werden. Der ECT-Sensor 582 kann innerhalb der Maschine 502 oder an anderen Stellen, an denen das Kühlmittel zirkuliert wird, wie z. B. an einem Kühler (nicht dargestellt), angeordnet sein.
Der Druck innerhalb des Einlasskrümmers 510 kann unter Verwendung eines Krümmer-Absolutdruck-Sensors (MAP-Sensors) 584 gemessen werden. In verschiedenen Implementierungen kann der Maschinenunterdruck gemessen werden, wobei der Maschinenunterdruck die Differenz zwischen dem Umgebungsluftdruck und dem Druck innerhalb des Einlasskrümmers 510 ist. Die Luftmasse, die in den Einlasskrümmer 510 strömt, kann unter Verwendung eines Luftmassenstromsensors (MAF-Sensors) 586 gemessen werden. In verschiedenen Implementierungen kann sich der MAF-Sensor 586 in einem Gehäuse mit dem Drosselventil 512 befinden.
Das Drosselaktuatormodul 516 kann die Position des Drosselventils 512 unter Verwendung von einem oder mehreren Drosselpositionssensoren (TPS) 590 überwachen. Die Umgebungstemperatur der Luft, die in das Maschinensystem 500 eingesaugt wird, kann unter Verwendung eines Ansaugluft-Temperatursensors (IAT-Sensors) 592 gemessen werden. Das ECM 514 kann Signale von den Sensoren verwenden, um Steuerentscheidungen für das Maschinensystem 500 zu treffen.
Das Systemsteuermodul 514 kann mit einem Getriebesteuermodul 594 kommunizieren, um das Schalten von Gängen in einem Getriebe (nicht dargestellt) zu koordinieren. Das Systemsteuermodul 514 kann beispielsweise das Drehmoment während eines Gangwechsels verringern. Das Systemsteuermodul 514 kann mit einem Hybridsteuermodul 196 kommunizieren, um den Betrieb der Maschine 502 und der MGU 503 zu koordinieren. Die MGU 503 kann verwendet werden, um elektrische Energie zur Verwendung durch elektrische Fahrzeugsysteme und/oder für die Speicherung in einer Batterie zu erzeugen. In verschiedenen Implementierungen können das Systemsteuermodul 514, das Getriebesteuermodul 594 und das Hybridsteuermodul 596 in ein oder mehrere Module integriert sein.
Um auf die verschiedenen Steuermechanismen der Maschine 502 abstrakt Bezug zu nehmen, kann jedes System, das einen Maschinenparameter verändert, als Aktuator bezeichnet werden. Das Drosselaktuatormodul 516 kann beispielsweise die Flügelposition und daher die Öffnungsfläche des Drosselventils 512 ändern. Das Drosselaktuatormodul 516 kann daher als Aktuator bezeichnet werden und die Drosselöffnungsfläche kann als Aktuatorposition bezeichnet werden.
Ebenso kann das Zündfunkenaktuatormodul 526 als Aktuator bezeichnet werden, während die entsprechende Aktuatorposition die Menge der Zündfunkenfrühverstellung ist. Andere Aktuatoren umfassen das Ladedruckaktuatormodul 562, das EGR-Ventil 570, das Phasensteller-Aktuatormodul 558, das Kraftstoffeinspritzsystem 524 und das Zylinderaktuatormodul 520. Der Begriff Aktuatorposition in Bezug auf diese Aktuatoren kann dem Ladedruck, der EGR-Ventil-Öffnung, den Einlass- und Auslassnocken-Phasenstellerwinkeln, dem Luft/KraftstoffVerhältnis bzw. der Anzahl von aktivierten Zylindern entsprechen.
Obwohl die MGU 503 ein Elektromotordrehmoment in Reihe und/oder parallel mit der Drehmomentausgabe der Maschine 502 bereitstellen kann, sollte erkannt werden, dass andere Konfigurationen auch als innerhalb des Schutzbereichs dieser Beschreibung betrachtet werden. Die MGU 503 kann beispielsweise als ein oder mehrere Elektromotoren implementiert werden, die ein Drehmoment direkt an Rädern 600 liefern, anstatt es durch das Elektromotor-Getriebesystem 602 zu leiten.
Das kombinierte Drehmoment der Maschine 502 und der MGU 503 wird an einen Eingang des Getriebes 602 angelegt. Das Elektromotor-Getriebesystem 602 kann ein Automatikgetriebe umfassen, das die Gänge gemäß einem Gangwechselbefehl vom Systemsteuermodul 514 wechselt. Das Elektromotor-Getriebesystem 602 kann einen oder mehrere Elektromotoren für die Übersetzungsverhältnisauswahl, die Rotationsunterstützung, das Maschinenbremsen, die Regeneration usw. umfassen. Eine Abtriebswelle des Elektromotor-Getriebesystems 602 ist mit einem Eingang eines Differentialgetriebes 604 gekoppelt. Das Differentialgetriebe 604 treibt Achsen und Räder 600 an. Raddrehzahlsensoren 606 erzeugen Signale, die eine Drehzahl ihrer jeweiligen Räder 600 anzeigen.
Das Maschinensystem 500 kann ferner einen barometrischen Drucksensor 608 umfassen. Der barometrische Drucksensor 608 kann verwendet werden, um Umgebungsbedingungen zu bestimmen, die ferner verwendet werden können, um eine gewünschte Drosselfläche zu bestimmen. Die gewünschte Drosselfläche kann einer spezifischen Drosselposition entsprechen.

Claims

Steuermodul für ein Fahrzeug, umfassend: ein Zeitaufzeichnungsmodul, das Zeitstempel, die jedem von N Zähnen eines Zielrades des Fahrzeugs entsprechen, im Speicher speichert, wobei N eine ganze Zahl ist; und ein Positionsmodul, das M Winkelpositionen auf der Basis der Zeitstempel erzeugt, wobei M eine ganze Zahl ist, die größer ist als eins, wobei jede der M Winkelpositionen einem Abstand zwischen benachbarten der N Zähne entspricht; und eine Positionsschätzeinrichtung, die eine Position des Zielrades auf der Basis der M Positionen bestimmt; wobei das Positionsmodul M Positionen auf der Basis von mindestens einem der folgenden Ausdrücke bestimmt: $x (t) = \frac{1}{6} j_{0} t^{3} + \frac{1}{2} a_{0} t^{2} + v_{0} t + x_{0},$
und $x (t) = \frac{A}{(- k) e^{(- kt)}} + Ct + \frac{A}{k}$
wobei x die Position ist, x₀ eine Position am Beginn einer Umdrehung des Zielrades ist, vo eine Geschwindigkeit ist, a₀ eine Beschleunigung ist, die einer Differenz zwischen den Geschwindigkeiten am Ende und am Beginn einer Umdrehung des Zielrades entspricht, j₀ ein Ruck am Beginn einer Umdrehung des Zielrades ist, t die Zeit ist, A eine Differenz zwischen der Anfangs- und Enddrehzahl des Zielrades für eine Umdrehung ist, k eine Abfallzeitkonstante ist und C eine Enddrehzahl einer Umdrehung des Zielrades ist.
Steuermodul nach Anspruch 1, wobei das Zeitaufzeichnungsmodul einen ersten Satz von Matrizen speichert, wobei jede Matrix des ersten Satzes von Matrizen einer von X Umdrehungen des Zielrades entspricht und Zeitstempel speichert, die jedem der N Zähne entsprechen.
Steuermodul nach Anspruch 2, wobei das Positionsmodul einen zweiten Satz von Matrizen speichert, wobei jede Matrix des zweiten Satzes von Matrizen einer Matrix des ersten Satzes von Matrizen entspricht und Positionsdaten für jeden der N Zähne speichert.
Steuermodul nach Anspruch 3, wobei das Positionsmodul eine vereinigte Positionsmatrix auf der Basis des zweiten Satzes von Matrizen erzeugt.
Steuermodul nach Anspruch 4, wobei das Positionsmodul Werte von Matrixelementen in jeder Matrix des zweiten Satzes von Matrizen mittelt, um jeweilige Mittelwerte für jeden der N Zähne zu erzeugen, und die Mittelwerte in der vereinigten Positionsmatrix speichert.
Steuermodul nach Anspruch 1, wobei das Zielrad mit einer Kurbelwelle einer Maschine verbunden ist.
Steuermodul nach Anspruch 1, wobei das Zielrad ein Getriebezielrad und/oder ein Elektromotor-Zielrad ist.
Steuersystem mit dem Steuermodul nach Anspruch 1, das ferner einen Kurbelwellen-Positionssensor umfasst, der die N Zähne detektiert und ein Signal einer gemessenen Position erzeugt, das einer Position einer Kurbelwelle einer Maschine entspricht und das die Zeitstempel umfasst.
Steuermodul nach Anspruch 1, das ferner ein Geschwindigkeitsmodul umfasst, das eine Drehzahl einer Maschine des Fahrzeugs erhöht und eine Verbrennung in der Maschine deaktiviert, bevor das Zeitaufzeichnungsmodul die Zeitstempel speichert.
Steuermodul nach Anspruch 1, wobei die Position die momentane Position des Zielrades ist, und wobei das Steuermodul die momentane Geschwindigkeit und die momentane Beschleunigung des Zielrades auf der Basis der Position schätzt.
Filter, das umfasst: ein Positionsmodul, das ein Signal einer berechneten Position auf der Basis eines Signals einer gemessenen Position, das durch einen Sensor erzeugt wird, der N Zähne eines Zielrades eines Fahrzeugs detektiert, und auf der Basis von M Zahnabstandswerten, die jedem der N Zähne zugeordnet sind, erzeugt, wobei N und M ganze Zahlen sind und M größer ist als eins, wobei jeder der M Zahnabstandswerte einem jeweiligen Abstand zwischen benachbarten der N Zähne des Zielrades entspricht, und wobei das Positionsmodul ein Signal einer geschätzten Position, das der Position des Zielrades entspricht, auf der Basis eines Positionsfehlersignals erzeugt; einen ersten Komparator, der das Signal der berechneten Position mit dem Signal der geschätzten Position vergleicht, um das Positionsfehlersignal zu erzeugen; ein Geschwindigkeitsmodul, das ein Signal einer berechneten Geschwindigkeit auf der Basis des Signals der geschätzten Position erzeugt und das ein Signal einer geschätzten Geschwindigkeit auf der Basis eines Geschwindigkeitsfehlersignals erzeugt; einen zweiten Komparator, der das Signal der berechneten Geschwindigkeit mit dem Signal der geschätzten Geschwindigkeit vergleicht, um das Geschwindigkeitsfehlersignal zu erzeugen; ein Beschleunigungsmodul, das ein Signal einer berechneten Beschleunigung auf der Basis des Signals der geschätzten Geschwindigkeit erzeugt und das ein Signal einer geschätzten Beschleunigung auf der Basis eines Beschleunigungsfehlersignals erzeugt; und einen dritten Komparator, der das Signal der berechneten Beschleunigung mit dem Signal der geschätzten Beschleunigung vergleicht, um das Beschleunigungsfehlersignal zu erzeugen.
Filter nach Anspruch 11, wobei das Positionsmodul das Signal der geschätzten Position auf der Basis einer Zustandsgleichung für ein Kaiman-Filter erzeugt.
Steuersystem mit dem Filter nach Anspruch 11, das ferner ein Steuermodul umfasst, das eine Kraftstoffsteuerung und/oder die Zündsteuerung und/oder die Drosselsteuerung und/oder die Phasenstellersteuerung auf der Basis des Signals der geschätzten Position einstellt.
Steuersystem nach Anspruch 13, wobei das Filter ferner ein Geschwindigkeitsmodul umfasst, das die momentane Geschwindigkeit des Zielrades auf der Basis des Signals der geschätzten Position schätzt, und wobei das Steuermodul die Kraftstoffsteuerung und/oder die Zündsteuerung und/oder die Drosselsteuerung und/oder die Phasenstellersteuerung auf der Basis der Schätzung der momentanen Geschwindigkeit einstellt.