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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Korrigieren des
Signals eines Nockenwellen-Sensors, der ein Rechtecksignal entsprechend dem
Durchlauf von Zähnen
und Lücken
eines mit der Nockenwelle einer Brennkraftmaschine verbundenen Geberrades
erzeugt, wobei der Nockenwellen-Sensor insbesondere ein Hall-Sensor
ist.
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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
Referenzmagnetfluss 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.
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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.
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Aus
der
DE 40 28 442 A1 ist
ein Verfahren zum Erkennen und Korrigieren von Fehlstellungen der
Nockenwelle einer Brennkraftmaschine bekannt. Bei diesem Verfahren
wird die Soll-Phasenlage der Nockenwelle in einem Kennfeld gespeichert.
Die Ist-Phasenlage der Nockenwelle wird mittels eines Induktiv-Sensors
erfasst, der im Bereich einer Nockenspitze der Nockenwelle angeordnet
ist. Ergibt sich bei einem Vergleich der Soll-Phasenlage mit der Ist-Phasenlage
eine Fehlstellung der Nockenwelle, so werden entsprechende Maßnahmen
zum Ändern der
Nockenwellen-Phasenlage eingeleitet.
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Aus
der
DE 195 43 562
A1 ist eine Anordnung zur berührungslosen Drehwinkelerfassung
einer Welle bekannt, die an ihrem Ende einen Dauermagneten als mitdrehbares
Element trägt
und bei der zur Signalerzeugung eines Sensoranordnung aus zwei gegeneinander
um 90° versetzte
Hall-Sensoren verwendet werden. In dieser Druckschrift wird erwähnt, dass
Nullpunkt-Verschiebungen bzw. Eichungen sowie die Kompensation von
statischen Fehlern der Sensoranordnung und/oder der Auswerteschaltung
analog oder digital realisierbar sind, wobei Potentiometer zum Kompensieren
von Amplituden- und Offset-Fehlern der Sensoren und Übersprechen
in der Schaltung verwendet werden und ein Ersatz der Potentiometer
durch digital einstellbare Netzwerke bei Integration der Schaltung
möglich
ist.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zum Korrigieren des Signals eines Nockenwellensensors anzugeben,
das eine Ermittlung von messfehlerbedingten Phasenverschiebungen
zwischen dem von dem Nockenwellensensor abgegebenen elektrischen
Rechtecksignal und der tatsächlichen
me chanischen Position der vorbeilaufenden Zähne und somit eine Korrektur
des Rechtecksignals ermöglicht.
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Verfahren
gemäß der Erfindung
zum Lösen dieser
Aufgabe sind in den unabhängigen
Ansprüchen
1 und 6 definiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen
der erfindungsgemäßen Verfahren
sind in den abhängigen
Ansprüchen
definiert.
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Anspruch
1 offenbart eine erste Ausführungsform
der Erfindung.
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Gemäß einer
ersten Variante der ersten Ausführungsform
ist vorgesehen, dass die Bestimmung der Winkelwerte der Rechteckimpulse
und Impuls-Lücken
des Rechtecksignals durch eine Messung der Dauer dieser Rechteckimpulse
und Impuls-Lücken
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.
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Gemäß einer
anderen Variante der ersten Ausführungsform
ist vorgesehen, dass die Bestimmung der Winkelwerte der Rechteckimpulse
und Impuls-Lücken
des Rechtecksignals ausgehend von einer Winkelinformation erfolgt,
die von einem Kurbelwellen-Sensor erzeugt wird, der einem mit der
Kurbelwelle der Brennkraftmaschine drehfest verbundenen Geberrad
zugeordnet ist.
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Anspruch
6 offenbart eine zweite Ausführungsform
der Erfindung.
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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.
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Weitere
Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens
gehen aus der folgenden Beispielsbeschreibung in Verbindung mit
der Zeichnung hervor, in der:
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1 in
schematischer Weise eine Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens
darstellt und
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2 eine
Grafik darstellt, in der das mechanische Profil eines Geberrades
und das von dem zugehörigen
Sensor gegebene elektrische Signal miteinander verglichen werden.
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In 1 ist
mit 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.
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Das
Betriebssteuergerät 10 empfängt außerdem ein
Signal eines Kurbelwellensensors 12, 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 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.
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Es
wird nun auf die 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 γT, und die Lücke 20d, die von der
hinteren Flanke 20c und dem anschließenden Auftreten der vorderen Flanke 20a begrenzt
wird, erstreckt sich über
einen Winkel γN. Diese Winkel sind konstruktionsbedingt und
daher genau bekannt.
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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 der gleichen 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 der Rechteckimpuls 30b des Signals 30 eine
Dauer entsprechend eines Winkelwertes αT des Recheckimpulses 30b,
der verschieden ist von dem Winkel γT. Dasselbe
gilt für
den Winkelwert αN der Impuls-Lücke 30d.
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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 hieraus abzuleiten und das
Signal 30 zu korrigieren.
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Bei
einer ersten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird der Winkelwert αT des Rechteckimpulses 30b bestimmt
und mit dem bekannten Winkel γT 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 vorzunehmen, um dieses zu korrigieren. In der
gleichen Weise kann man für
die Lücken 20d vorgehen.
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Um
den Winkelwert αT des Rechteckimpulses 30b zu bestimmen,
genügt
es, seine 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.
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Um
ein fehlerfreies Ergebnis zu erzielen, ist es wichtig, dass die
Winkelgeschwindigkeit während der
Dauer des betrachteten Rechteckimpulses 30b oder der betrachteten
Impuls-Lücke 30d 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.
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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 einem Rechteckimpuls 30b und
einer Impuls-Lücke 30d oder
einer Impuls-Lücke 30d und
einem Rechteckimpuls 30b in Aufeinanderfolge aufheben.
Indem man somit die Dauer von einem Rechteckimpuls 30b und
einer Impuls-Lücke 30d oder
einer Impuls-Lücke 30d und
einem Rechteckimpuls 30b in Aufeinanderfolge misst, kann
man hiervon die Änderung
der Winkelgeschwindigkeit abziehen und die Korrektur der einzelnen
Zeitspannen-Messwerte für
jeden Zahn bzw. jede Lücke
ausführen.
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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 Ge schwindigkeit 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.
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Bei
der beschriebenen Ausführungsform
bezieht man sich auf Winkelwerte der Rechteckimpulse und Impuls-Lücken 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.
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Bei
dieser zweiten Ausführungsform
der Erfindung entsprechen die Zeitspannen der Rechteckimpulse 30b und
Impuls-Lücken 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.
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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.
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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.
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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.
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- 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
- Rechteckimpuls
- 30c
- vordere
Flanke
- 30d
- Impuls-Lücke
- α1
- Phasenverschiebung
der vorderen Flanke
- α2
- Phasenverschiebung
der hinteren Flanke
- αN
- Winkelwert
der Impuls-Lücke
- αT
- Winkelwert
der des Rechteckimpulses
- γN
- mechanischer
Winkel der Lücke
- γT
- mechanischer
Winkel des Zahnes