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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung eines Sensorsignals insbesondere eines induktiven Drehzahlsensors, bei dem ein von dem Drehzahlsensor ausgegebenes Analogsignal von einem Analog-/Digital-Wandler in ein Digitalsignal umgewandelt wird, um in einer digitalen Signalverarbeitungseinrichtung weiterverarbeitet zu werden.
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Solche Verfahren sind aus dem Stand der Technik bekannt und benötigen oftmals viele analoge Schaltungselemente, die das Sensorsignal zusammen mit einem Komparator derart aufbereiten, dass positive oder negative Nulldurchgänge des Sensorsignals als Zustandsänderung eines Digitalsignals zur Verfügung stehen.
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Aus der
DE 3879451 T1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt zum Überwachen der Leistung von drehenden Maschinen in Abhängigkeit von der Wellenstellung oder dem Phasenwinkel. Dazu werden die Leistungsdaten der Maschine aufgenommen und interpoliert.
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Aus der
EP 358381 B1 ist eine Geschwindigkeitsdetektorvorrichtung zur Verwendung in Kombination mit einem Tonrad mit einer Anzahl von Metallzähnen bekannt. Dabei kommt ein abgestimmtes Sensornetzwerk zum Einsatz, welches als Tiefpassfilter oder als Phasenverschiebungsnetzwerk angesehen werden kann.
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Besonders problematisch ist der hohe Dynamikbereich eines von einem induktiven Drehzahlsensor stammenden Analogsignals, weswegen bekannte Verfahren häufig eine Schwellwertnachführung für den Komparator vorsehen, um den Störabstand zu verbessern. Diese Schwellwertnachführung arbeitet jedoch insbesondere bei einer sehr hohen Signaldynamik nicht immer störungsfrei.
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Darüber hinaus wird die Erfassung des Sensorsignals bei bekannten Verfahren aus dem Bereich der Kraftfahrzeugtechnik durch Einstreuungen, z. B. von einem Zündsystem oder einer Ansteuerung von Injektoren bzw. Einspritzventilen, beeinträchtigt.
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Ferner kann eine Verpolung des Drehzahlsensors bei den bekannten Erfassungsverfahren nur durch zusätzliche Diagnosekomponenten erkannt werden.
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Aufgabe und Vorteile der Erfindung
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Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Erfassungsverfahren der eingangs genannten Art unter Vermeidung der Nachteile des Standes der Technik dahingehend zu verbessern, dass eine zuverlässigere Erfassung des Sensorsignals gewährleistet ist.
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Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Analogsignal durch einen Tiefpass gefiltert wird, bevor es dem Analog-/Digital-Wandler zugeführt wird, und dass eine Übertragungsfunktion des Tiefpasses in Abhängigkeit von dem Analogsignal gewählt wird.
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Besonders vorteilhaft ist hierbei die Möglichkeit, den Dynamikbereich der Amplitude des Sensorsignals durch Auswahl der Übertragungsfunktion des Tiefpasses gezielt anzupassen, beispielsweise an die Erfordernisse des nachfolgenden Analog-/Digital-Wandlers. Bei induktiven Drehzahlsensoren kann die Amplitude des Sensorsignals zwischen wenigen 100 mV und einigen 100 V schwanken, wobei üblicherweise eine Proportionalität zwischen der erfassten Drehzahl bzw. der Signalfrequenz und der Signalamplitude besteht. Hierbei ist es sehr zweckmäßig, die Übertragungsfunktion des Tiefpasses in Abhängigkeit der frequenzabhängigen Amplitude des Analogsignals zu wählen.
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Beispielsweise kann der Tiefpass so dimensioniert werden, dass eine Flankensteilheit in einem Übergangsbereich zwischen einem Durchlassbereich und einem Sperrbereich der Übertragungsfunktion die frequenzabhängige Änderung der Signalamplitude ausgleicht.
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Eine Steigerung der Genauigkeit bei der Bestimmung der Nulldurchgänge wird bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch erreicht, dass das Digitalsignal interpoliert wird.
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Eine noch bessere Unterdrückung von Störsignalen ergibt sich bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung dadurch, dass das Digitalsignal mit einem Kammfilter gefiltert wird, dessen Grundfrequenz proportional zu einer vom Drehzahlsensor erfassten Drehzahl ist. Das Kammfilter läßt die Grundschwingung sowie Oberwellen des Sensorsignals passieren und unterdrückt alle anderen Frequenzen.
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Da das Kammfilter auf das Digitalsignal angewendet wird und somit innerhalb der digitalen Signalverarbeitungseinrichtung ablaufen kann, ist eine einfache Implementierung beispielsweise in Form eines Programmcodes für die Signalverarbeitungseinrichtung möglich.
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Die digitale Signalverarbeitungseinrichtung ist beispielsweise als Mikrocontroller oder auch als digitaler Signalprozessor (DSP) ausgebildet. Der das Kammfilter repräsentierende Programmcode kann beispielsweise durch eine entsprechende Parametrierung während der Laufzeit angepasst werden, z. B. um die Grundfrequenz des Kammfilters oder weitere Filtergrößen an die momentane Drehzahl bzw. an die Frequenz des Sensorsignals anzupassen.
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Eine hinsichtlich der Unterdrückung von Störsignalen noch bessere Aufbereitung des Sensorsignals ist gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dadurch gegeben, dass das Digitalsignal mit einem Optimalfilter, vorzugsweise einem Wiener-Filter, gefiltert wird.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden Abtastwerte des Digitalsignals einer Plausibilitätsprüfung unterzogen und in Abhängigkeit des Ergebnisses der Plausibilitätsprüfung verworfen bzw. durch interpolierte Werte ersetzt. Die Möglichkeit der Plausibilitätsprüfung ist beispielsweise durch die bekannte Abhängigkeit zwischen der Signalamplitude und der Frequenz des Sensorsignals gegeben.
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Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass bei besonders kleinen Signalfrequenzen, bei denen auch die Signalamplitude sehr klein und die Erfassung des Sensorsignals damit sehr störanfällig ist, verhältnismäßig viele Abtastwerte je Signalperiode vorliegen, aus denen unter Anwendung der vorstehend beschriebenen Plausibilitätsbetrachtungen zuverlässig das Sensorsignal ermittelt werden kann.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Digitalsignal analysiert wird, um eine Verpolung des Drehzahlsensors zu erkennen. Auf diese Weise kann auf zusätzliche Geräte zur Erkennung der Verpolung eines Drehzahlsensors verzichtet werden.
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Eine andere sehr vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass bestimmte Abtastwerte des Digitalsignals gezielt ignoriert bzw. durch interpolierte Werte ersetzt werden. Bei diesen Abtastwerten kann es sich beispielsweise um solche Werte handeln, die zu einer Zeit erfasst werden, zu der bekannte Störquellen wie z. B. die Zündung eines Kraftfahrzeugs das Sensorsignal beeinflussen. Unter Kenntnis der Parameter solcher bekannter Störsignale können die entsprechenden Abtastwerte von weiteren Betrachtungen ausgenommen werden, ohne sie zuvor verarbeiten zu müssen, wodurch Rechenzeit der Signalverarbeitungseinrichtung eingespart werden kann.
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Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Computerprogramm für ein Steuergerät, insbesondere einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, angegeben, mit Programmcode, der dazu geeignet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen, wenn er auf einem Computer bzw. einer Signalverarbeitungseinrichtung ausgeführt wird. Vorteilhaft ist der Programmcode auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert.
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Als noch eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Steuergerät, insbesondere für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, angegeben, bei dem zur Erfassung eines Sensorsignals insbesondere eines induktiven Drehzahlsensors ein von dem Drehzahlsensor ausgegebenes Analogsignal von einem Analog-/Digital-Wandler in ein Digitalsignal umwandelbar ist, um in einer digitalen Signalverarbeitungseinrichtung weiterverarbeitet zu werden, wobei das Analogsignal durch einen Tiefpass gefiltert werden kann, bevor es dem Analog-/Digital-Wandler zugeführt wird, und wobei eine Übertragungsfunktion des Tiefpasses in Abhängigkeit von dem Analogsignal wählbar ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung.
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1 zeigt eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
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2 zeigt einen Tiefpass.
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1 zeigt einen Drehzahlsensor 1, der ein Analogsignal 1a ausgibt. Das Analogsignal 1a wird von dem Tiefpass 2 gefiltert, und das tiefpassgefilterte Analogsignal 2a wird an den Analog-/Digital-Wandler 3 weitergeleitet.
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Der Analog-/Digital-Wandler 3 wandelt das tiefpassgefilterte Analogsignal 2a mit einer Abtastfrequenz von etwa 20 kHz bis 40 kHz in ein Digitalsignal 3a um, das schließlich von einer als digitaler Signalprozessor (DSP) 4 ausgebildeten digitalen Signalverarbeitungseinrichtung weiterverarbeitet wird.
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Das vom Drehzahlsensor 1 gelieferte Analogsignal 1a weist eine Amplitude auf, die je nach Frequenz bzw. Drehzahl zwischen wenigen 100 mV und 200 V liegen kann. Um diesen großen Dynamikbereich des Analogsignals 1a an einen nur wenige Volt aufweisenden Eingangsspannungsbereich des Analog-/Digitalwandlers 3 anzupassen, wird die Übertragungsfunktion des Tiefpasses 2 in Abhängigkeit von dem Analogsignal 1a gewählt.
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Die Flankensteilheit der Übertragungsfunktion des Tiefpasses 2 wird in einem Übergangsbereich zwischen dem Durchlaßbereich und dem Sperrbereich so gewählt, dass ein drehzahlabhängiger Amplitudenanstieg des Analogsignals 1a durch die Übertragungsfunktion des Tiefpasses 2 ausgeglichen wird. Auf diese Weise ist es möglich, die Amplitude des Analogsignals 1a über einen weiten Frequenzbereich hinweg annähernd konstant zu halten.
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Bei entsprechender Wahl der Dämpfung bzw. Verstärkung des Analogsignals 1a im Durchlaßbereich des Tiefpasses 2 ist es auch möglich, den Dynamikbereich des Analogsignals 1a an den Eingangsspannungsbereich des Analog-/Digitalwandlers 3 anzupassen.
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Die Flankensteilheit wird beispielsweise zu 6 dB/Oktave gewählt, d. h. bei einer Verdopplung der Frequenz des Analogsignals 1a erfolgt eine Erhöhung der Dämpfung des Analogsignals 1a um 6 dB durch den Tiefpass 2.
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Der Tiefpass 2 ist in 2 abgebildet und besteht aus einer Serienschaltung eines Ohmwiderstands R3 und eines Kondensators C1. Der aus einer Serienschaltung der Widerstände R1, R2 bestehende und zwischen einer Versorgungsspannung von 5 Volt und Masse liegende Spannungsteiler dient zur Erzeugung einer Vorspannung für den Analog-/Digital-Wandler 3 (1). Gleichzeitig stellen die Widerstände R1, R2 zusammen mit dem Widerstand R3 einen Abschlusswiderstand für den Drehzahlsensor 1 dar.
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Die Grenzfrequenz des Tiefpasses 2 beträgt etwa 70 Hz, so dass im Vergleich zur gemessenen Drehzahl hochfrequente Störungen des Analogsignals 1a nicht zu dem Analog-/Digitalwandler 3 gelangen. Die Kapazität des Kondensators C1 ist so gewählt, dass der Wertebereich des tiefpassgefilterten Analogsignals 2a den Eingangsspannungsbereich des Analog-/Digital-Wandlers 3 nicht überschreitet, so dass keine Verzerrungen bei der Umwandlung in das Digitalsignal 3a auftreten.
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Zur genaueren Anpassung der Übertragungsfunktion des Tiefpasses 2 an die Frequenzabhängigkeit der Amplitude des Analogsignals 1a kann der Tiefpass 2 um zusätzliche Bauelemente erweitert werden, so dass, mehrere Zeitkonstanten und damit mehrere Freiheitsgrade für die Übertragungsfunktion zur Verfügung stehen. Dies ist insbesondere zum Ausgleich eines bei sehr hohen Frequenzen nachlassenden Amplitudenanstiegs des Analogsignals 1a zweckmäßig.
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Da die Übertragungsfunktion des Tiefpasses 2 bekannt ist, kann die durch den Tiefpass 2 bedingte Phasenverzögerung des Analogsignals 1a sowie ein durch den Drehzahlsensor 1 selbst verursachter Phasenfehler in der Signalverarbeitungseinrichtung 4 rechnerisch eliminiert werden. Ebenso ist es möglich, von magnetischen Streu- und Sättigungseffekten im Bereich des Drehzahlsensors 1 herrührende Amplitudenschwankungen des Analogsignals 1a sowie weitere Dämpfungseffekte rechnerisch in der Signalverarbeitungseinrichtung 4 zu kompensieren.
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Zur Bestimmung der Drehzahl aus dem Digitalsignal 3a werden die Nulldurchgänge bzw. deren Zeitabstände in der Signalverarbeitungseinrichtung 4 ermittelt. Besonders vorteilhaft ist hierbei die Interpolation des Digitalsignals 3a, so dass auch zwischen zwei Abtastwerten des Digitalsignals 3a liegende Nulldurchgänge genau erfasst werden können. Im vorliegenden Fall wird eine quadratische Interpolation eingesetzt, bei der ein Nulldurchgang des interpolierten Kurvenabschnitts des Digitalsignals 3a besonders effizient ohne Division ermittelbar ist. Eine Spline-Interpolation mit Splines höherer Ordnung, z. B. kubischen Splines, ist auch möglich.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Filterung des Digitalsignals 3a in der Signalverarbeitungseinrichtung 4 mit einem Kammfilter vorgesehen, dessen Grundfrequenz proportional zu der vom Drehzahlsensor 1 ermittelten Drehzahl ist. Da das Kammfilter nur die Grundschwingung sowie die Oberwellen des Digitalsignals 3a durchlässt und alle anderen Frequenzen unterdrückt, ist hiermit eine Verbesserung des Störabstandes erzielbar.
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Das Kammfilter ist als Programmcode innerhalb der Signalverarbeitungseinrichtung 4 realisiert, weswegen eine flexible Änderung seiner Parameter wie z. B. der Grundfrequenz einfach möglicht ist.
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Bei einer anderen Ausführungsform wird das Digitalsignal 3a mit einem als Wiener-Filter ausgebildeten Optimalfilter gefiltert, wodurch ein im Vergleich zur Filterung mit dem Kammfilter noch größerer Störabstand des Digitalsignals 3a erzielbar ist.
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Ebenfalls sehr vorteilhaft ist eine Plausibilitätsprüfung der Abtastwerte des Digitalsignals 3a in der Signalverarbeitungseinrichtung 4, die es unter Kenntnis der Frequenzabhängigkeit des Analogsignals 1a erlaubt, unplausible Abtastwerte zu erkennen und zu verwerfen und durch interpolierte Werte zu ersetzen.
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Der besondere Vorteil hierbei liegt darin, dass aufgrund der konstanten Abtastfrequenz von etwa 20 kHz bis 40 kHz in demjenigen Frequenzbereich des Analogsignals 1a, in dem die Amplitude des Analogsignals 1a am geringsten und damit am störanfälligsten ist, die meisten Abtastwerte je Periode des Digitalsignals 3a vorliegen, wodurch eine weitere Steigerung des Störabstandes im kritischen Bereich kleiner Frequenzen möglich ist.
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Sofern der Signalverarbeitungseinrichtung 4 Informationen über systembedingte Störsignale vorliegen, insbesondere über deren zeitlichen Verlauf, die beispielsweise von einer Zündung eines Kraftfahrzeugs oder einer Ansteuerung von Injektoren oder Magnetventilen oder dergleichen herrühren, ist es möglich, die mit diesen Störsignalen zusammenfallenden Abtastwerte des Digitalsignals 3a von vornherein zu ignorieren und durch interpolierte Werte zu ersetzen. Auf diese Weise müssen die fraglichen Abtastwerte nicht zuerst einer Plausibilitätskontrolle unterworfen werden, wodurch Rechenleistung in der Signalverarbeitungseinrichtung 4 gespart wird.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht eine Verpolungserkennung vor, die aufgrund einer Analyse des Digitalsignals 3a erkennt, ob der Drehzahlsensor 1 richtig oder falsch gepolt angeschlossen ist.
