DE19737999A1 - Einrichtung zur Winkelerfassung und Winkelzuordnung - Google Patents

Einrichtung zur Winkelerfassung und Winkelzuordnung

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Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Winkelerfassung und Winkelzuordnung, insbesonders zur Winkelerfassung der bei einer Brennkraftmaschine vorhandenen Nocken- und/oder Kurbelwelle nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Stand der Technik
Einrichtungen zur berührungslosen Drehwinkelerfassung eines drehbaren Elements, beispielsweise einer Welle einer Brennkraftmaschine sind bereits in großer Anzahl bekannt. Einige dieser Einrichtungen ermöglichen es, jeweils den Absolutwinkel zu bestimmen. Bei solchen Absolutwinkel- Gebersystemen kann auch ohne Drehung der Welle jederzeit nach Einschalten der Einrichtung die vorliegende Winkelstellung erkannt werden. Ein solches Absolutwinkel- Gebersystem mit mehreren verschiedenen Ausführungsformen ist beispielsweise aus der DE-OS 195 43 562 bekannt.
Bei diesen bekannten Einrichtungen zur Winkelerfassung einer sich drehenden Welle ist auf der sich drehenden Welle eine Scheibe befestigt, die magnetisch polarisiert ist. Das dadurch erzeugte, mit der Welle rotierende Magnetfeld wird mit Hilfe eines Sensors, der auf Hall- oder Magnetoresistivbasis arbeitet und zwei getrennte Sensorelemente umfaßt, ausgewertet. Durch eine geeignete Beschaltung und Zuführung von gegeneinander phasenverschobenen Spannungen läßt sich ein Sensorausgangssignal erzielen, das sowohl beim Einsatz von Hallelementen als auch von magnetoresistiven Elementen im wesentlichen linear vom Drehwinkel der Welle abhängt. Ein solcher Sensor läßt sich also als Absolutsensor einsetzen, da je nach Winkelstellung eine charakteristische Ausgangsspannung erhalten wird.
Andere Einrichtungen zur Winkelerfassung bei sich drehenden Wellen, insbesonders bei einer Brennkraftmaschine zur Erfassung der Winkelstellung der Nockenwelle oder der Kurbelwelle werden beispielsweise in der Patentanmeldung DE-P 196 24 194 beschrieben. Bei diesen Winkelerfassungs­ einrichtungen wird ein Zahnrad mit der Welle so verbunden, daß es mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit rotiert. Dieses Zahnrad wird mit Hilfe eines Induktivsensors abgetastet, der ein für die Winkelmarken typisches Ausgangssignal abgibt. Sind die Winkelmarken gleichförmig, läßt sich lediglich die Drehzahl der Welle ermitteln, sind jedoch charakteristische Winkelmarken bzw. Zähne vorhanden oder stellt die Anordnung der Winkelmarken einen bestimmten Code dar, lassen sich durch Auswertung der aufeinanderfolgenden, von den am Sensor vorbei laufenden Winkelmarken abhängigen Signalen bestimmte Winkelstellungen erkennen.
Die Signalverarbeitung erfolgt bei der aus der DE-P 196 24 194 bekannten Einrichtung indem das vom Sensor gelieferte und zu einem Rechtecksignal aufbereitete Ausgangssignal mit Hilfe einer geeigneten Modulation in ein pulsweitenmoduliertes Signal gewandelt wird. Dieses pulsweitenmodulierte Signal wird mit fester Frequenz ausgegeben. Die Drehzahlinformation ist dabei im Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Signales enthalten. Die Ausgabe des Drehzahlsignales wird bei dieser Ausführungsform asynchron zu den tatsächlich auftretenden Signalflanken des Induktivsensor durchgeführt.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Winkelerfassung und Winkelzuordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß eine Möglichkeit gegeben wird zur Bestimmung der Winkelposition einer stehenden oder einer drehenden Welle, wobei die Winkelausgabe vorteilhafterweise in einer festen Periodenzeit erfolgen kann. Erzielt wird dieser Vorteil durch eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Winkelerfassung und Winkelzuordnung mit der Merkmalskombination des Anspruchs 1, wobei die Verarbeitung des Sensorausgangssignals in ein pulsweitenmoduliertes Signal erfolgt.
Weitere Vorteile der Erfindung werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen erzielt. Dabei ist besonders vorteilhaft, daß auch eine Winkelzuordnung zweier drehender Wellen zueinander bestimmt werden kann. Eine besonders vorteilhafte Anwendung ist dabei die Ermittlung der Winkelzuordnung zwischen einer Kurbelwelle und einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine. Dann kann in vorteilhafter Weise die Winkelstellung der Nockenwelle mit Hilfe eines Absolutwinkelgebers erfaßt werden, während die Winkelerfassung bzw. die Drehzahl der Kurbelwelle mit Hilfe eines üblichen Segment- oder Inkrementrades erfolgt.
In vorteilhafter Weise kann auch die Winkelzuordnung zweier Wellen zueinander ermittelt werden, sofern die beiden Wellen miteinander über ein Getriebe oder eine bekannte Übersetzung verbunden sind.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Im einzelnen zeigt Fig. 1 einen Schnitt durch eine Drehwinkelerfassungsanordnung an einer drehbaren Welle mit einer schematischen Darstellung der Sensoranord­ nung, Fig. 2 zeigt eine zugehörige Auswerteschaltung und Fig. 3 den Verlauf des Ausgangssignals des Sensors über dem Drehwinkel. In Fig. 4 sind die für das Verständnis der Erfindung erforderlichen Teile einer Brennkraftmaschine, insbesonders der Geberanordnung zur Ermittlung der Stellung der Kurbel- und der Nockenwelle dargestellt und Fig. 5 zeigt einen Signalverlauf für die Geberanordnung nach Fig. 4 über der Zeit t bzw. dem Winkel α.
Beschreibung
In Fig. 1 ist eine um den Winkel α drehbare Welle 10 dargestellt, beispielsweise die Nockenwelle einer Brennkraftmaschine, die an ihrem Ende einen Dauermagneten 11 als mitdrehbares Element trägt. α ist der Winkel, der gemessen werden soll. Die magnetischen Feldlinien B des Magneten 11 werden mit Hilfe einer Sensoranordnung 12 erfaßt. Diese Sensoranordnung 12 besteht aus zwei gegeneinander um einen bestimmten Winkel, insbesonders etwa 90° versetzten Sensorelementen 12a, 12b, beispielsweise Hallelementen oder magnetoresistiven Elementen.
Die Spannungsversorgung für die Sensorelemente sowie die Signalauswertung erfolgt mit der in Fig. 2 dargestellten Auswerteschaltung. Bei dieser Auswerteschaltung, die ebenso wie die in Fig. 1 dargestellte Sensoranordnung aus der DE-OS 195 43 562 bereits prinzipiell bekannt sind, wird ausgehend von einem spannungsgeregelten Oszillator 13 mit nachgeschaltetem Tiefpaß 14 ein erster sinusförmiger Wechselstrom I1 erzeugt, der dem ersten Sensorelement 12a zugeführt wird. Dem Sensorelement 12b wird ein im Phasenschieber 15 gebildeter phasenverschobener Wechselstrom I2 zugeführt, beispielsweise um +90°. Die beiden Sensorelemente 12a und 12b liefern abhängig von ihrer Lage im Magnetfeld Ausgangsspannungen U1, U2, die im Block 16 addiert werden und im Phasenkomparator 17 weiterverarbeitet werden. Am Ausgang eines sich anschließenden Tiefpaß 18 entsteht eine Ausgangsspannung U, deren Höhe proportional zum Drehwinkel α ist. Diese Ausgangsspannung U ist in Fig. 3 über dem Drehwinkel α aufgetragen. Aus dieser Ausgangsspannung U läßt sich stets die Winkelstellung α eindeutig ermitteln, wobei die Winkelauswertung mittels der später beschriebenen Umwandlung in ein pulsweitenmoduliertes Signal S2 erfolgt. Diese Umwandlung kann in einer Elektronik 19 erfolgen, die Bestandteil des Sensors ist oder in einer nachfolgenden Steuereinrichtung durchgeführt werden.
In Fig. 4 sind in einer groben Übersicht die für das Verständnis der erfindungsgemäßen Anwendung der Einrichtung zur Winkelerfassung und Winkelzuordnung bei einer Brennkraftmaschine angegeben. Dabei bezeichnet 20 eine Geberscheibe, die starr mit der Kurbelwelle 21 verbunden ist und mit dieser umläuft. Die Geberscheibe 20 weist an ihrer Oberfläche eine Anzahl regelmäßiger Winkelmarken 22 auf. Eine Bezugsmarke 23 wird durch zwei fehlende Winkelmarken gebildet. Eine zweite Geberscheibe ist mit 24 bezeichnet, sie ist mit der Nockenwelle 25 verbunden und weist beispielsweise zwei magnetische Bereiche 26, 27 auf, die ein homogenes Magnetfeld B erzeugen. Die Kurbelwelle 21 und die Nockenwelle 25 sind miteinander über die schematisch dargestellte Verbindung 28 verbunden. Üblicherweise rotiert die Kurbelwelle doppelt so schnell wie die Nockenwelle.
Die Geberscheibe 20 wird mit Hilfe eines Sensors 29 abgetastet, der ein Signal S1 an das Steuergerät 30 der Brennkraftmaschine abgibt. Die Winkelstellung der Nockenwelle wird mit Hilfe des Sensors 31 ermittelt, der als Absolutsensor ausgestaltet ist und die Sensorelemente 32, 33 umfaßt und zum Beispiel dem Sensor 12 der Fig. 1 entspricht. Als Sensor kann ein nach dem magnetoresistiven oder Hallprinzip arbeitender Sensor eingesetzt werden. Die Ausgestaltung der Geberscheibe 25 läßt sich auch auf andere Weise vornehmen. Wesentlich ist, daß das mit der Nockenwelle rotierende Magnetfeld vom feststehenden Sensor 31, der das Signal S2 an das Steuergerät 30 liefert, ausgewertet wird.
Neben den Signalen S1 und S2 erhält das Steuergerät 30 über entsprechende Eingänge weitere für die Steuerung bzw. Regelung der Brennkraftmaschine erforderliche Eingangsgrößen, beispielsweise ein Zündungseinsignal 34 sowie weitere Signale von nicht näher bezeichneten Sensoren 35. Ausgangsseitig stellt das Steuergerät 30 Signale für die Zündung und Einspritzung für nicht näher bezeichnete entsprechende Komponenten der Brennkraftmaschine zur Verfügung, die zugehörigen Ausgänge des Steuergeräts sind mit 36 und 37 bezeichnet.
Das Steuergerät 30 umfaßt eine Eingangs- sowie Ausgangsbeschaltung 38, 39, eine zentrale Prozessoreinheit 40 sowie Speicher 41. Die zentrale Prozessoreinheit führt die erforderlichen Berechnungen durch.
Die Auswerteschaltung nach Fig. 2 ist üblicherweise Bestandteil des Sensors 31, sie kann jedoch prinzipiell im Steuergerät integriert werden. Eine weitere Signalaufbereitungsschaltung, die aus der winkelproportionalen Sensorausgangsspannung U ein pulsweitenmoduliertes Signal bildet, kann ebenfalls Bestandteil des Sensors oder des Steuergeräts sein. Da es prinzipiell bekannt ist, wie aus einer winkelproportionalen Spannung U ein pulsweitenmoduliertes Signal S2 erzeugt wird, soll darauf an dieser Stelle nicht näher eingegangen werden. Wesentlich ist, daß das Steuergerät bzw. der zentrale Prozessor des Steuergeräts aus dem pulsweitenmodulierten Signal die Winkelstellung ermittelt und in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung auch die Winkelzuordnung zwischen den beiden Wellen, als beispielsweise der Kurbelwelle 21 und der Nockenwelle 25 bestimmt.
Im folgenden soll zunächst ein Verfahren beschrieben werden, bei dem die aktuelle Winkelposition einer drehenden Welle, beispielsweise der Nockenwelle 21 einer Brennkraftmaschine bestimmt wird. Mit diesem Verfahren ist eine Bestimmung der Winkellage auch bei Drehzahl Null, das heißt bei stehender Brennkraftmaschine möglich, da der Sensor 31 ein Absolutsensor ist. Es können somit bereits bei stehendem Motor bzw. bei beginnen der Drehung Aktivitäten, die eine Winkelzuordnung benötigen, ausgelöst werden. Solche Aktivitäten sind beispielsweise die sequentielle Einspritzung, Direkteinspritzung oder Zündung, die vom Steuergerät ausgelöst werden können, sobald es die aktuelle Winkelstellung kennt.
Im weiteren wird ein Verfahren beschrieben, bei dem die Winkelzuordnung zweier drehender Wellen zueinander bestimmt wird. Eine Anwendung hierzu kann die Bestimmung der Winkelzuordnung zwischen einer Kurbelwelle und einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine sein. Dabei ist das Verfahren besonders dann interessant, wenn damit eine Nockenwellenverstellung registriert werden kann oder wenn eine gegenseitige Plausibilisierung der Signale erforderlich ist. Weiterhin kann eine Adaption des Winkelbezugspunktes der ersten Welle (Nockenwelle) bestimmt werden, wenn diese fest an die zweite Welle (Kurbelwelle) gekoppelt ist und sich die erste Welle in einer definierten Position befindet. Damit lassen sich Toleranzen des Sensorsystems kompensieren.
Die Erläuterung der Vorgehensweise kann anhand der in Fig. 5 dargestellten Signale erfolgen. Das Signal S2 stellt dabei das pulsweitenmodulierte Ausgangssignal des Nockenwellensensors 31 dar, der als Absolutwinkelsensor ausgestaltet ist. Das Signal S1 stellt das aufbereitete Ausgangssignal des Sensors 20 dar. Dieser Sensor ist als Inkrementalwinkelsensor ausgestaltet und liefert das Kurbelwellensignal.
1. Verfahren zur Winkelbestimmung einer Welle (Nockenwelle)
Ein Steuergerät erfaßt die Flankenwechsel des Eingangssignals per Interrupt und speichert die Zeiteinträge tj in einem Ringspeicher ab. Zu jedem beliebigen Zeitpunkt t wird der aktuelle Winkel bestimmt nach dem nachfolgenden Verfahren. Insbesondere bietet sich hier eine Aktualisierung des Winkels in einem festen Zeitraster an:
Der aktuelle Winkel (Nockenwelle) zum Zeitpunkt tj wird bestimmt mit:
αj,1 = K.(τj-τ0) + α0,1
mit τj = (tj-tj-1)/T
und
T: Periode, T = (tj-1-tj-3)
K: Konstante
τ0: Offset Tastverhältnis
α0,1: Bezugswinkel (Nockenwelle)
τ: "high"-Phase von S2.
Weiter ergibt sich der Winkel zu jedem beliebigen Zeitpunkt t zwischen tj und tj+2 aus:
α1 = αj,1 + ((t-tj)/(tj-tj-2)).(αj,1-αj-2,1).
Weiterhin kann das Signal auf Plausibilität geprüft werden:
T = Tsoll ± ΔT
mit
Tsoll: Soll-Periodenzeit
ΔT: zulässige Abweichung
2. Winkelzuordnung der ersten Welle zu einer zweiten Welle (Nockenwelle zu Kurbelwelle)
Ein Steuergerät erfaßt die Flankenwechsel des Eingangssignals der ersten und zweiten Welle per Interrupt und speichert die Zeiteinträge tj bzw. tzi in jeweils einem Ringspeicher ab. Zu jedem beliebigen Zeitpunkt t kann die Winkelzuordnung der beiden Wellen am Zeitpunkt tj mit nachfolgendem Verfahren bestimmt werden. Insbesondere bietet sich hier eine Aktualisierung des Winkels in einem festen Zeitraster an.
Zwischen zwei Wellen, die miteinander über eine gegebene Übersetzung verbunden sind, ergibt sich mit αj,1 (siehe oben) und
α2(tj) = α1,2 + ((tj-tzi)/(tzi-tzj-1)).(αj,2-αj-1,2)
mit
α2(tj): Winkel der Welle 2 zum Zeitpunkt tj
αi,2: Winkelposition am letzten Inkrement oder Segment
(αi,2-αi-1,2): Winkellänge des letzten Inkrements oder Segments auf der Welle 2
tzi: Zeiteinträge an den Flanken der Welle 2
die Winkelzuordnung:
αj,1-2 = α2(tj) - αj,1.
Diese Winkelzuordnung stellt bei einer Nockenwellenverstellung den Verstellwinkel der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle dar. Ist die Nockenwelle in einer definierten Referenzstellung, kann über die dann vorliegende Zuordnung der Bezugspunkt der Nockenwelle α0,1 (siehe oben) bestimmt werden.
Wird die erfindungsgemäße Einrichtung zur Winkelerfassung und Winkelzuordnung wie vorstehend beschrieben im Zusammenhang mit der Auswertung der Stellung der Kurbel- bzw. der Nockenwelle (21, 25) oder der Nockenwellen bei einer Brennkraftmaschine eingesetzt, lassen sich verschiedene Funktionsverbesserungen realisieren, je nachdem um was für eine Brennkraftmaschine es sich handelt. Beispielsweise ist ein Schnellstart der Brennkraftmaschine möglich, da unmittelbar nach Inbetriebnahme die genaue Motorposition noch bei einer Drehzahl von n = 0 durchführbar ist. Weiterhin ist eine schnelle und sichere Starterkennung möglich. Es kann unmittelbar nach Drehbeginn "Motor dreht" erkannt werden. Eine einfache und schnelle Synchronisation ist sofort nach der Starterkennung möglich. Damit sind frühe zylinderrichtige Einspritzungen auslösbar. Es kann also eine sequentielle Kraftstoffeinspritzung (SEFI) bereits ab Drehzahl n = 0 erfolgen.
Gegenüber den heutigen Brennkraftmaschinen mit Schnellstartfunktion ist ein reduzierter Softwareaufwand erzielbar. Die Drehzahl- und Phasengeber-Diagnose vereinfacht sich. Ein Drehzahlgebernotlauf ist durchführbar, da eine einfache sichere und schnelle Notlaufsynchronisation möglich ist. Bei einem Unfall ist eine sichere und schnelle Unterdrehzahlerkennung möglich und zur Abschaltung der Elektrokraftstoffpumpe, Zündung und Einspritzung verfügbar. Eine Drehrichtungserkennung unterbindet Zündungs- und Einspritzausgaben beim Abwürgen des Motors.
Bei Brennkraftmaschinen mit variabler Nockenwellenverstellung ist diese mit Hilfe des erfindungsgemäßen Systems auswertbar. Eine Diagnose der Nockenwellenverstellung ist durch Inbezugsetzung der Meßergebnisse möglich. In einer Einfachversion läßt sich eine Brennkraftmaschine ohne Drehzahlgeber ausgestalten, bei der die Ansteuerimpulse wie beim Drehzahlgebernotlauf gebildet werden. Ein Schnellstart ist auch bei Kraftstoffdirekteinspritzung mit einem sogenannten common rail möglich. Das eingesetzte Sensorsystem ist relativ einfach aufgebaut.

Claims (11)

1. Einrichtung zur Drehwinkelerfassung und Winkelzuordnung eines drehbaren Elements bei der unter Auswertung von beeinflußbaren Eigenschaften einer Sensoranordnung eine vom drehbaren Element erzeugte oder beeinflußte Eigenschaft detektierbar ist, wobei die Sensoranordnung ein von der Winkelstellung eindeutiges abhängiges Signal abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Signal in ein pulsweitenmodu­ liertes Signal gewandelt wird, aus dessen Tastverhältnis eine Recheneinrichtung die tatsächliche Winkelstellung ermittelt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beeinflußbare Eigenschaft magnetischer Natur ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoranordnung zweier Sensorelemente umfaßt, die nach dem Hall- und/oder magnetoresistiven Prinzip arbeiten, daß die Sensorelemente mit gegeneinander um 90° phasenverschobenen Strömen beaufschlagt werden und die Ausgangsspannungen der Sensorelemente addiert werden und in einem Phasenkomparator und einem sich anschließenden Tiefpaß zu einer winkelproportionalen Ausgangsspannung verarbeitet werden.
4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das drehbare Element die Nockenwelle einer Brennkraftmaschine ist und die Recheneinrichtung das Steuergerät bzw. die zentrale Prozessoreinheit des Steuergeräts einer Brennkraftmaschine ist.
5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinrichtung den Flankenwechsel des PWM-Signals per Interrupt erfaßt und die Zeiteinträge tj abspeichert und der aktuelle Winkel αj,1 zum Zeitpunkt tj bestimmt wird nach folgender Beziehung:
αj,1 = K.(τj-τ0) + α0,1
mit
τj = (tj-tj-1)/T.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zu jedem beliebigen Zeitpunkt t zwischen tj und tj+2 berechnet wird nach der Gleichung:
α1 = αj,1 + ((t-tj)/(tj-tj-2)).(αj,1-αj-2,1).
7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Plausibilitätsprüfung stattfindet, indem geprüft wird, ob die Periodenzeit gleich einer Soll- Periodenzeit ± einer zulässigen Abweichung entspricht und falls nicht auf Fehler erkannt wird.
8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelzuordnung zwischen dem rotierenden Teil und einem weiteren rotierenden Teil ermittelt wird, insbesonders die Winkelzuordnung zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät die Flankenwechsel beider Eingangssignale per Interrupt erfaßt und die Zeiteinträge tj bzw. tzi abspeichert und die Winkelzuordnung der beiden Wellen ermittelt nach der Beziehung:
α2(tj) = α1,2 + ((tj-tzi)/(tzi-tzj-1)).(αj,2-αj-1,2)
mit
α2(tj): Winkel der Welle 2 zum Zeitpunkt tj
αi,2: Winkelposition am letzten Inkrement oder Segment
(αi,2-αi-1,2): Winkellänge des letzten Inkrements oder Segments auf der Welle 2
tzi: Zeiteinträge an den Flanken der Welle 2.
10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktualisierung der Winkelberechnung in einem festen Zeitraster erfolgt.
11. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die berechneten Winkelstellungen bzw. Winkelzuordnungen zur Optimierung der Funktionen der Brennkraftmaschine verarbeitet werden.
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