DE10228581A1

DE10228581A1 - Verfahren zum Korrigieren des Signals eines Nockenwellen-Sensors

Info

Publication number: DE10228581A1
Application number: DE10228581A
Authority: DE
Inventors: Franz Dietl; Jae-Bong Koo; Bennaceur Manssouri
Original assignee: Siemens VDO Automotive SAS
Current assignee: Continental Automotive France SAS
Priority date: 2001-07-25
Filing date: 2002-06-26
Publication date: 2003-02-13
Anticipated expiration: 2022-06-27
Also published as: US6615644B2; FR2827954A1; FR2827954B1; US20030019284A1; DE10228581B4

Abstract

Verfahren zum Korrigieren des Signals eines Nockenwellen-Sensors (11), der ein Rechtecksignal (30) entsprechend dem Durchlauf von Zähnen (20b) und Lücken (20d) eines mit der Nockenwelle einer Brennkraftmaschine verbundenen Geberrades (20) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelwerte (alpha¶T¶, alpha¶N¶) der den Zähnen und Lücken entsprechenden Perioden (30b, 30d) des Signals ermittelt werden, dass diese Winkelwerte mit den mechanischen Winkeln (gamma¶Z¶, gamma¶N¶) der Zähne und Lücken verglichen werden und dass hieraus eine Phasenverschiebung (alpha¶1¶, alpha¶2¶) der vorderen Flanken (30a) und hinteren Flanken (30c) des Signals bezüglich den den Zähnen des Geberrades entsprechenden Flanken (20a, 20c) abgeleitet wird. Wenn sich die Zähne und Lücken über gleiche Winkelsektoren erstrecken, werden die Phasenverschiebungen durch einen Vergleich der Messungen der Dauer zwei aufeinanderfolgender Signalperioden (30b, 30d) unmittelbar berechnet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Korrigieren des Signals, das von einem Winkelpositions-Sensor erzeugt wird, insbesondere von einem Sensor in Form eines Hall-Sensors, an dem die Zähne eines gezahnten Geberrades vorbeilaufen.

In der Kraftfahrzeugtechnik werden häufig Vorrichtungen zum Messen der Winkelposition und/oder Drehgeschwindigkeit rotierender Wellen verwendet, die von Sensoren gebildet werden, welche auf den Durchlauf der Zähne eines mit der rotierenden Welle drehfest verbundenen gezahnten Rades, im allgemeinen aus ferromagnetischem Material, ansprechen. Diese Sensoren arbeiten beispielsweise auf dem Prinzip veränderlicher Redundanz oder in neuerer Zeit mittels eines oder mehrerer Hall-Zellen. Diese Zellen ermöglichen es, Änderungen des Magnetflusses zu detektieren, die beim Vorbeilauf eines magnetisierten Zahnes (wenn der Sensor keinen Permanentmagneten hat, der einen Referenenzmagnetfluss erzeugt) oder eines ferromagnetischen Zahnes erzeugt werden, wenn die Zelle einem Permanentmagneten zugeordnet ist, und geben somit ein elektrisches Rechtecksignal entsprechend dem Vorbeilauf der Zähne ab. Derartige Vorrichtungen werden beispielsweise zum Messen der Position oder Geschwindigkeit der Kurbelwelle bzw. der Nockenwellen der Brennkraftmaschinen oder auch zum Messen der Drehgeschwindigkeit der Fahrzeugräder verwendet.

Es wurde jedoch festgestellt, dass das von diesen Sensoren abgegebene elektrische Signal den Vorbeilauf der Zähne an der Stelle des Sensors nicht präzise wiedergibt. Tatsächlich können die vorderen und hinteren Flanken des elektrischen Signals bezüglich des präzisen Vorbeilaufs der vorderen bzw. hinteren Flanke des Zahnes des Geberrades an der Stelle des Sensors etwas phasenverschoben sein. Dieses Phänomen lässt sich bei bestimmten Konfigurationen darauf zurückführen, dass sich die von dem Zahn gebildete metallische Masse den die Hall-Sensor durchquerenden Flusslinien annähert und sich von diesen wieder entfernt. Wenn auch diese Phasenverschiebung nur einen geringen Einfluss bei Anwendungen wie der Messung der Drehgeschwindigkeit eines Fahrzeugrades hat, wo man sich im wesentlichen für die Signalperiode interessiert, so gilt dies jedoch nicht für Anwendungen, bei denen die vorderen und hinteren Flanken des Signals zum Bestimmen der Winkelposition einer Nockenwelle verwendet werden, wie dies beispielsweise bei Anwendungen der Fall ist, bei denen die Winkelverstellung der Nockenwelle bezüglich des oberen Totpunktes eines Zylinders in Brennkraftmaschinen gemessen wird, die mit Vorrichtungen zum Verstellen der Winkelposition der Nockenwelle versehen sind.

Die vorliegende Erfindung hat somit zum Ziel, ein Verfahren anzugeben, das eine Messung der Phasenverschiebung zwischen dem von dem Sensor abgegebenen elektrischen Signal und der tatsächlichen mechanischen Position der an diesen vorbeilaufenden Zähne und hierbei eine Korrektur dieses Signals ermöglicht.

Dies wird gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung durch ein Verfahren zum Korrigieren des Signals eines Nockenwellen-Sensors erreicht, der ein Rechtecksignal entsprechend dem Durchlauf von Zähnen und Lücken eines mit der Nockenwelle einer Brennkraftmaschine verbundenen Geberrades erzeugt, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Winkelwerte der den Zähnen und Lücken entsprechenden Perioden des Signals ermittelt werden, dass diese Winkelwerte mit den mechanischen Winkeln der Zähne und Lücken verglichen werden und dass hieraus eine Phasenverschiebung der vorderen Flanken und hinteren Flanken des Signals bezüglich den den Zähnen des Geberrades entsprechenden Flanken abgeleitet wird.

Gemäß einer ersten Variante dieses Verfahrens ist vorgesehen, dass die Bestimmung der Winkelwerte der Signalperioden durch eine Messung der Dauer dieser Perioden in Abhängigkeit von der Drehzahl der Brennkraftmaschine erfolgt. Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass die Bestimmung während einer Betriebsphase konstanter Drehzahl der Brennkraftmaschine erfolgt oder die Messung der Dauer hinsichtlich des Einflusses einer Drehzahländerung durch Messen mindestens zweier aufeinanderfolgender Paare von Zähne/Lücken korrigiert wird.

Gemäß einer anderen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Bestimmung der Winkelwerte der Signalperioden ausgehend von einer Winkelinformation erfolgt, die von einem Kurbelwellen-Sensor 12 erzeugt wird, der einem mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine drehfest verbundenen Geberrad zugeordnet ist.

Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird das oben genannte Ziel durch ein Verfahren zum Korrigieren des Signals eines Nockenwellen- Sensors erreicht, der ein Rechtecksignal entsprechend dem Durchlauf von Zähnen und Lücken einer mit der Nockenwelle einer Brennkraftmaschine fest verbundenen Geberrades abgibt, wobei sich die Zähne und Lücken über gleiche Winkelsektoren erstrecken, das dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Phasenverschiebung der vorderen Flanken und hinteren Flanken des Signals bezüglich den Zähnen des Geberrades entsprechenden Flanken berechnet wird, in dem Messungen der Dauer zweier aufeinanderfolgender Perioden des Signals verglichen werden.

Vorteilhafterweise ist bei dieser Ausführungsform ebenfalls vorgesehen, dass die Berechnung während einer Betriebsphase konstanter Drehzahl der Brennkraftmaschine durchgeführt wird oder dass die Messung der Dauer hinsichtlich Einflüssen einer Drehzahländerung durch Messen mindestens zweier aufeinanderfolgender Paare von Zähnen/Lücken korrigiert wird.

Weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens gehen aus der folgenden Beispielsbeschreibung in Verbindung mit der Zeichnung hervor, in der:
Fig. 1 in schematischer Weise eine Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellt und
Fig. 2 eine Grafik darstellt, in der das mechanische Profil eines Geberrades und das von dem zugehörigen Sensor gegebene elektrische Signal miteinander verglichen werden.
In Fig. 1 ist bei 10 ein Betriebssteuergerät einer Brennkraftmaschine dargestellt. Dieses Betriebssteuergerät ist so programmiert, dass es Steuersignale an Aktoren wie die von Einspritzventilen, Zündspulen, usw. (nicht gezeigt) auf der Basis von Signalen abgeben, die sie von verschiedenen Sensoren erhalten, von welchen nur einige dargestellt sind. Ein Nockenwellensensor 11 ist gegenüber einem Geberrad 20 angeordnet, das mit den Nockenwellen der Brennkraftmaschine drehfest verbunden ist. Dieser Sensor gibt an das Betriebssteuergerät 10 ein Rechtecksignal ab, das beim Vorbeilaufen von Zähnen 20b und Lücken 20d des Geberrades 20 bei dessen Drehung mit der Nockenwelle entsteht. Der Einfachheit halber wurde ein Geberrad 20 dargestellt, das nur einen Zahn 20b und nur eine Lücke 20d hat, die sich jeweils über Winkelsektoren von 180° erstrecken und durch Flanken 20a und 20c getrennt sind. Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch auch auf Geberräder mit jeder beliebigen Anzahl von Zähnen und Lücken anwendbar, die sich über entsprechende gleiche und ungleiche Winkelsektoren erstrecken.
Das Betriebssteuergerät 10 empfängt außerdem ein Signal eines Kurbelwellensensors 20, der gegenüber einem anderen Geberrad 15 angeordnet ist, welches mit der Kurbelwelle drehfest verbunden ist und Zähne 15i aufweist. Das Geberrad 15 ist ferner mit einer Marke 15r versehen, die die Bestimmung des oberen Totpunktes eines der Zylinder der Brennkraftmaschine erlaubt. Man kann somit beispielsweise den Winkelversatz zwischen der das Geberrad 20 tragenden Nockenwelle und der das Geberrad 15 tragenden Kurbelwelle messen, ein Winkelversatz, der durch eine Winkelverstellvorrichtung (nicht gezeigt) hervorgerufen wird und in Fig. 1 durch einen Doppelpfeil angedeutet ist, und zwar durch Messen der Zeit oder des Winkels, das die Detektion der vorderen Flanke 20a des Geberrades 20 von der Marke 15r des Geberrades 15 trennt. Wenn jedoch die Detektion der Flanke 20a mit einem Fehler behaftet ist (der ±6° betragen kann), ist die Messung der Winkelverstellung der Nockenwelle ebenfalls fehlerhaft. Es ist daher wichtig, dass diese Detektion, die mit Hilfe des von dem Sensor 11 abgegebenen Signals realisiert wird, auf einem hinsichtlich seiner Fehler korrigierten Signal beruht.
Es wird nun auf die Fig. 2 Bezug genommen, in der das Geberrad 20 als lineare Abwicklung dargestellt ist, und zwar so, als ob es gegenüber dem Sensor 11 eine Translationsbewegung ausführen würde, wie durch einen Pfeil angedeutet ist. Der Zahn 20b, der von den vorderen und hinteren Flanken 20a und 20c begrenzt wird, erstreckt sich über einen Winkel γ_T, und die Lücke 20d, die von der hinteren Flanke 20c und dem anschließenden Auftreten der vorderen Flanke 20a begrenzt wirdl, erstreckt sich über einen Winkel γ_N. Diese Winkel sind konstruktionsbedingt und daher genau bekannt.
Parallel hierzu ist bei 30 das von dem Sensor 11 abgegebene Signal dargestellt. Wie ersichtlich, hat die vordere Flanke 30a des Signals 30 eine (vorwärtsgerichtete) Phasenverschiebung α₁ gegenüber der vorderen Flanke 20a des zugehörigen Zahns des Geberrades. In dergleichen Weise hat die hintere Flanke 30c eine (zurückgerichtete) Phasenverschiebung α₂ bezüglich der hinteren Flanke 20c. Geht man von einer konstanten Drehzahl der Brennkraftmaschine und somit einer konstanten (und bekannten) Winkelgeschwindigkeit des Geberrades 20 aus, so hat somit die Zahn-Periode 30b des Signals 30 eine Dauer entsprechend eines Winkelwertes der Zahn-Periode α_T, der verschieden ist von dem Winkel γ_T. Dasselbe gilt für den Winkelwert der Lücken-Periode α_N.
Anhand von Versuchen wurde festgestellt, dass diese Phasenverschiebungen α₁ und α₂ stark abhängig sind von dem Abstand e zwischen dem Sensor 11 und dem Geberrad 20, dass jedoch ihr Absolutwert unabhängig von diesem Abstand gleich ist oder zumindest in einem konstanten Verhältnis steht. Diese Beobachtung nutzt man somit dazu aus, ihren Wert hiervon abzuziehen und das Signal 30 zu korrigieren.
Bei einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Winkelwert der Zahn-Periode α_T bestimmt und mit dem bekannten Winkel γ_T des Zahns verglichen. Die Differenz zwischen beiden Werten ist gleich der Summe der Phasenverschiebungen α₁ und α₂. Kennt man die Summe der Phasenverschiebungen und ihr Verhältnis, so ist es leicht, jede Phasenverschiebung zu berechnen. Es genügt dann, eine entsprechende Verzögerung der Phasenverschiebung α₁ an der vorderen Flanke 30a des Signals 30 aufzuprägen, um dieses zu korrigieren. In der gleiclhen Weise kann man für die Lücken vorgehen.
Um den Winkelwert der Zahn-Periode α_T zu bestimmen, genügt es, ihre Dauer zu messen und bei Kenntnis der Drehzahl der Brennkraftmaschine von dieser die Winkelgeschwindigkeit der Nockenwelle (die im allgemeinen halb so groß wie die der Kurbelwelle ist) abzuziehen. Der Winkelwert ergibt sich durch das Produkt aus der Dauer und der Winkelgeschwindigkeit.
Um ein fehlerfreies Ergebnis zu erzielen, ist es wichtig, dass die Winkelgeschwindigkeit während der Dauer der betrachteten Periode konstant ist. Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird daher vorzugsweise während einer Betriebsphase konstanter Drehzahl der Brennkraftmaschine durchgeführt, beispielsweise im Leerlauf, bei dem die gemessenen Zeitspannen länger sind und sich daher eine höhere Genauigkeit ergibt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann jedoch auch bei veränderlicher Drehzahl durchgeführt werden, indem die Zeitspannen-Messwerte in Abhängigkeit von dieser Änderung korrigiert werden. Hierzu beobachtet man, dass die Periode des Signals 30 unabhängig von Phasenverschiebungen ist, da sich diese bei zwei aufeinanderfolgenden Zahnlücken-Perioden annulieren. Indem man somit die Dauer zweier aufeinanderfolgender Zahn-/Lücken-Perioden misst, kann man hiervon die Änderung der Winkelgeschwindigkeit abziehen und die Korrektur der einzelnen Zeitspannen-Messwerte für jeden Zahn bzw. jede Lücke ausführen.
Bei einer zweiten Variante dieser Ausführungsform kann man in vorteilhafter Weise das Vorhandensein des Signals, das von dem dem Geberrad 15 zugeordneten Sensor 12 abgegeben wird, ausnutzen. Dieses Signal liefert nämlich eine relativ genaue Winkelinformation, da es auf einer wesentlich größeren Anzahl von Zähnen (in der Größenordnung von 60 Zähnen pro Umdrehung) bei der doppelten Geschwindigkeit wie der der Nockenwelle basiert. Da ferner die Winkelgeschwindigkeiten der Nockenwelle und Kurbelwelle in einem festen Verhältnis stehen, haben Drehzahlschwankungen der Brennkraftmaschine keinen Einfluss auf den abgegebenen Winkelmesswert.
Bei der beschriebenen Ausführungsform bezieht man sich auf Winkelwerte der Perioden des Signals 30 und ihren Vergleich mit den "mechanischen" Winkeln der Zähne und Lücken des Geberrades 20. Man kann jedoch diesen Zwischenschritt einer Übertragung in Winkel weglassen, wenn, wie dies meistens der Fall ist, die Zähne und Lücken des Geberrades 20 sich über gleiche Winkelsektoren erstrecken.
Bei dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung entsprechen die Zeitspannen der Zahn-Perioden 30b und Lücken-Perioden 30d tatsächlich gleichen Winkelsektoren. Wenn man annimmt, dass die Winkelgeschwindigkeit beim Vorbeilaufen eines Zahnes und einer Lücke konstant ist und die Phasenverschiebungen α₁ und α₂ hinsichtlich ihres Absolutwertes gleich sind, so ist sofort ersichtlich, dass die Differenz der Zeitspannen des Zahns und der Lücke gleich viermal der Phasenverschiebung (hinsichtlich der Dauer) ist. Für n Zahn-/Lücken-Paare an dem Geberrad 20 entspricht die Summe der Zahn- und Lücken-/Zeitspannen - unabhängig von der Phasenverschiebung, wie man weiter oben gesehen hat - 1/n Umdrehung. Ein Viertel des Verhältnisses der Differenz der Zahn- und Lücken-Zeitspannen zu ihrer Summe ergibt somit unmittelbar den Winkelwert der Phasenverschiebung.
Wie bei der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden diese Berechnungen vorzugsweise während einer Betriebsphase konstanter Drehzahl der Brennkraftmaschine durchgeführt, um eine konstante Winkelgeschwindigkeit zu haben. Man kann jedoch auch, ebenfalls wie bereits oben beschrieben, eine Korrektur der Zeitspannen-Messwerte durchführen, indem man den Einfluss einer Drehzahländerung durch Messen der Dauer zweier aufeinanderfolgender Zahn-/Lücken-Paare bestimmt.
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist. So ist es beispielsweise nicht erforderlich, dass einer vorderen Flanke eines Zahns des Geberrades 20 eine vordere Flanke des Signals 30 entspricht. Eine Inversion des Signals ist in Abhängigkeit von der Ausführungsform des Sensors 11 möglich. Außerdem kann, wenn die Phasenverschiebungen α1 und α2 bekannt sind, jede Form einer Korrektur des Signals 30 vorgenommen werden, sei es, durch Einführen von Verzögerungen an den vorderen Flanken, die Erzeugung eines künstlichen Signals oder auch die Korrektur durch Berechnung der Werte einer Winkelverstellung der Nockenwelle auf der Grundlage des Rohsignals. Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung erlaubt es somit, auf einen aufwendigen und kostspieligen Schritt zum Regeln des Abstandes e des Sensors 11 zu verzichten oder auch einen weniger genauen Sensor zu verwenden, der sich kostengünstiger herstellen lässt. Außerdem können durch Wiederholen des erfindungsgemäßen Verfahrens in regelmäßigen Intervallen während der Lebensdauer des Fahrzeuges alterungs- und abnutzungsbedingte Signalfehler vermieden werden. Bezugszeichenliste 10 Rechner
11 Nockenwellen-Sensor
12 Kurbelwellen-Sensor
15 Geberrad der Kurbelwelle
15i Zähne
15r Marke für oberen Totpunkt
20 Geberrad der Nockenwelle
20a vordere Flanke
20b Zahn
20c hintere Flanke
20d Lücke
30 Signal
30a vordere Flanke
30b Zahn-Periode
30c vordere Flanke
30d Lücken-Periode
α₁ Phasenverschiebung der vorderen Flanke
α₂ Phasenverschiebung der hinteren Flanke
α_N Winkelwert der Lücken-Periode
α_T Winkelwert der Zahn-Periode
γ_N mechanischer Winkel der Lücke
γ_T mechanischer Winkel des Zahnes

Claims

1. Verfahren zum Korrigieren des Signals eines Nockenwellen-Sensors (11), der ein Rechtecksignal (30) entsprechend dem Durchlauf von Zähnen (20b) und Lücken (20d) eines mit der Nockenwelle einer Brennkraftmaschine verbundenen Geberrades (20) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelwerte (α_T, α_N)der den Zähnen und Lücken entsprechenden Perioden (30b, 30d) des Signals ermittelt werden, dass diese Winkelwerte mit den mechanischen Winkeln (γ_T, γ_N) der Zähne und Lücken verglichen werden und dass hieraus eine Phasenverschiebung (α₁, α₂) der vorderen Flanken (30a) und hinteren Flanken (30c) des Signals bezüglich den den Zähnen des Geberrades entsprechenden Flanken (20a, 20c) abgeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Winkelwerte (α_T, α_N) der Signalperioden (30b, 30d) durch eine Messung der Dauer dieser Perioden in Abhängigkeit von der Drehzahl der Brennkraftmaschine erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung während einer Betriebsphase konstanter Drehzahl der Brennkraftmaschine erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Dauer hinsichtlich des Einflusses einer Drehzahländerung durch Messen mindestens zweier aufeinanderfolgender Paare von Zähne/Lücken korrigiert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Winkelwerte (α_T, α_N) der Signalperioden (30b, 30d) ausgehend von einer Winkelinformation erfolgt, die von einem Kurbelwellen-Sensor (12) erzeugt wird, der einem mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine drehfest verbundenen Geberrad (15) zugeordnet ist.

6. Verfahren zum Korrigieren des Signals eines Nockenwellen-Sensors (11), der ein Rechtecksignal (30) entsprechend dem Durchlauf von Zähnen (20b) und Lücken (20d) einer mit der Nockenwelle einer Brennkraftmaschine fest verbundenen Geberrades (20) abgibt, wobei sich die Zähne und Lücken über gleiche Winkelsektoren erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass eine Phasenverschiebung (α₁, α₂) der vorderen Flanken (30a) und hinteren Flanken (30c) des Signals bezüglich den Zähnen des Geberrades entsprechenden Flanken (20a, 20c) berechnet wird, indem Messungen der Dauer zweier aufeinanderfolgender Perioden (30b, 30d) des Signals verglichen werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung während einer Betriebsphase konstanter Drehzahl der Brennkraftmaschine durchgeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Dauer hinsichtlich Einflüssen einer Drehzahländerung durch Messen mindestens zweier aufeinanderfolgender Paare von Zähnen/Lücken korrigiert wird.