DE19963007A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erkennung einer Verpolung bei einem Signalgeber - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erkennung einer Verpolung bei einem Signalgeber angegeben, bei dem das Ausgangssignal des Signalgebers, das wenigstens eine Singularität aufweist, in ein Rechtecksignal gewandelt wird. Im Bereich der Singularität werden Zeitabstände zwischen vorgebbaren Pegelwechseln ermittelt oder es werden Plausibilitätsfenster gesetzt, innerhalb derer vorgebbare Ereignisse auftreten müssen. Falls die Zeitabstände nicht den erwarteten Zeitabständen entsprechen oder falls vorgebbare Ereignisse nicht innerhalb der vorgebbaren Zeitfenster bzw. Plausibilitätsfenster auftreten, wird auf Verpolung erkannt. Das Verfahren zur Erkennung der Verpolung wird beispielsweise bei einem Signalgeber mit einer Vielzahl regulärer Winkelmarken und einer Bezugsmarke eingesetzt, ist aber nicht auf solche Gebern eingeschränkt.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Erkennung einer Verpolung bei einem Signalgeber, insbesonders bei einem induktiven Geber nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Stand der Technik

Signalgeber, insbesondere solche, die nach dem induktiven Prinzip arbeiten, werden heute für verschiedenste Anwendungen eingesetzt. Beispielsweise werden induktive Signalgeber zur Drehzahl- oder zur Winkellageerfassung bei rotierenden Wellen eingesetzt. Besonders zur Ermittlung der Winkellage der Kurbelwelle oder einer anderen Welle in einem Kraftfahrzeug werden Signalgeber eingesetzt, bei denen ein feststehender Aufnehmer die rotierende Welle beziehungsweise eine mit der rotierenden Welle in Verbindung stehende Geberscheibe abtastet. Die Geberscheibe weist dabei an ihrer Oberfläche eine Vielzahl von Winkelmarken auf, bei deren Vorbeilaufen am Aufnehmer im Aufnehmer eine Wechselspannung induziert wird mit positiven und negativen Halbschwingungen. Diese Wechselspannung spiegelt die Oberfläche der Geberscheibe wieder. Zur besseren Weiterverarbeitung wird die Spannung üblicherweise in eine Rechteckspannung gewandelt. Dazu wird sie in einer Auswerteschaltung mit vorgebbaren Schwellwerten verglichen, und jeweils bei Erreichen eines solchen Schwellwertes erfolgt ein Pegelwechsel des rechteckförmigen Ausgangssignales. Da für die Auswertung dieses Signales beispielsweise in einem Motorsteuergerät bzw. einem Mikroprozessor wesentlich ist, ob der hohe Pegel von einer steigenden oder von einer fallenden Flanke einer Winkelmarke verursacht wird, muß überwacht werden, ob der Geber verpolt ist oder nicht. Dies ist erforderlich, da ein Induktivgeber üblicherweise zwei Anschlußmöglichkeiten hat.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erkennung der korrekten oder inkorrekten Polung von Signalgebern ist aus der DE-OS 197 23 866 bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren bzw. der bekannten Vorrichtung wird davon ausgegangen, daß die abzutastende Geberscheibe eine Vielzahl gleichartiger Winkelmarken aufweist, wobei die Ausgestaltung der Winkelmarken so ist, daß das im Aufnehmer erzeugte Signal nach einer Umwandlung in ein Rechtecksignal einen von der Bewegungsrichtung abhängigen Verlauf aufweist. Bei der Umwandlung des Ausgangssignales des Aufnehmers in das Rechtecksignal werden dabei zwei Schwellwerte berücksichtigt, bei deren Erreichen jeweils eine Pegelumschaltung ausgelöst wird.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erkennung einer Verpolung bei einem Signalgeber mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß es sehr zuverlässig arbeitet und daß es bei beliebigen Geberscheiben mit einer Anzahl gleichartiger Winkelmarken und einer Bezugsmarke eingesetzt werden kann, wobei an die Form der Winkelmarken oder an die Länge der Winkelmarken, bezogen auf die Abstände zwischen den Winkelmarken, keine besonderen Anforderungen gestellt werden. Besonders vorteilhaft läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung in Verbindung mit einer Geberscheibe einsetzen, wie sie heute in Brennkraftmaschinen üblich ist. Eine solche Geberscheibe weist 60-2 über ihre Oberfläche regulär verteilte Winkelmarken auf; die Referenzmarke wird durch die beiden fehlenden Winkelmarken gebildet. Eine solche sogenannte Inkrementscheibe dient zur Ermittlung der Winkelstellung der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine. Die Auswertung der Winkelbestimmung läuft dem Steuergerät der Brennkraftmaschine ab. Zusätzlich zu diesem Auswerteverfahren kann erfindungsgemäß die Verpolung des Gebers erkannt werden. In besonders vorteilhafter Weise läuft diese Verpolungserkennung unabhängig von der übrigen Signalauswertung. Unter welchen Bedingungen die Verpolungserkennung durchgeführt werden soll, kann in vorteilhafter Weise appliziert werden. Eine dieser Bedingungen kann beispielsweise ein vorgebbarer Drehzahlbereich sein, oder die Verpolungserkennung wird nur im Schubbetrieb der Brennkraftmaschine durchgeführt oder nur bei konstanten Drehzahlen oder nur sofern die Drehzahlschwankungen innerhalb vorgebbarer Grenzen bleiben.

In weiterer, besonders vorteilhafter Weise werden Zeitmessungen zwischen vorgebbaren Winkelmarken zur Verpolungserkennung durchgeführt, wobei beispielsweise bestimmte Zeitfenster gesetzt werden, innerhalb derer die erwartete Signalflanke auftauchen muß, sofern keine Verpolung vorliegt.

Weitere Vorteile der Erfindung werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen erzielt.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Im einzelnen zeigt Fig. 1 die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Bestandteile eines Systems zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, bei dem die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt eingesetzt werden kann. Fig. 2 zeigt verschiedene Signalverläufe, die bei nichtverpoltem oder bei verpoltem Geber erhalten werden; zusätzlich sind die zugehörigen Winkelmarken der Geberscheibe aufgetragen.

Beschreibung

In Fig. 1 sind die für das Verständnis der vorliegenden Erfindung wesentlichen Komponenten eines Systems zur Steuerung einer Brennkraftmaschine angegeben, für das die Erfindung bevorzugt eingesetzt werden kann. Im einzelnen ist dabei mit 10 eine Geberscheibe bezeichnet, die starr mit der Kurbelwelle 11 der Brennkraftmaschine verbunden ist und an ihrem Umfang eine Vielzahl gleichartiger Winkelmarken 12 aufweist, die voneinander jeweils denselben Abstand haben. Neben diesen gleichartigen Winkelmarken 12 ist eine Referenzmarke 13 vorgesehen, die beispielsweise durch zwei fehlende Winkelmarken gebildet wird, wodurch ein größerer Abstand zwischen den beiden benachbarten gleichartigen Winkelmarken entsteht.

Die Geberscheibe 10 wird vom Aufnehmer 20 abgetastet, der beim Vorbeilaufen der Winkelmarken ein Ausgangssignal mit positiven und negativen Halbschwingungen liefert, die jeweils durch die Flanken der Winkelmarken erzeugt werden. Die Geberscheibe 10, die auch als sogenannte Inkrementscheibe bezeichnet wird und der ihr zugeordnete Aufnehmer 20 bilden zusammen den Geber 20A, dessen Ausgangssignal U20 ausgewertet werden soll. Da das Ausgangssignal U20 vor der Weiterverarbeitung in ein Rechtecksignal gewandelt werden soll, wird es einem Analog/Digital-Wandler 21 zugeführt, der das digitalisierte Signal letztendlich dem Prozessor 23, der die Signalauswertung durchführt, zuführt. Der Prozessor 23 ist beispielsweise Bestandteil des Steuergeräts eines Kraftfahrzeugs. Das analog/digital-gewandelte Ausgangssignal U20 des Gebers 20A wird auch als Inkrement-Signal INK bezeichnet.

Eine zweite Geberscheibe 14 ist mit der Nockenwelle 15 der Brennkraftmaschine verbunden und weist auf ihrem Umfang eine Anzahl von Winkelmarken, sogenannte Segmente, auf, deren Anzahl beispielsweise der Anzahl der Zylinder der Brennkraftmaschine entspricht. Eine dieser Winkelmarken ist dabei als Doppelmarke ausgebildet und dient der Zuordnung des Kurbelwellenwinkels zum Zylinder 1. Diese Winkelmarke, die die Einzelmarken 19a, 19b umfaßt, ist mit 19 bezeichnet; die übrigen Winkelmarken sind mit 16, 17 und 18 bezeichnet. Die Abstände zwischen den Rückflanken der Winkelmarken sind gleich groß. Die Geberscheibe 14 wird mit Hilfe eines Aufnehmers 21 abgetastet, der ein Ausgangssignal U21 liefert, das positive und negative Halbschwingungen aufweist, die jeweils beim Vorbeilaufen der Winkelmarken erzeugt werden. Nach einer analog/digital-Wandlung im Analog/Digital-Wandler 24 entstehen Rechtecksignale, die auch als Segmentsignale SEG bezeichnet werden. Sie werden ebenfalls dem Prozessor 23 zugeführt. Die Segmentscheibe 14 und der Aufnehmer 21 werden auch als Segmentgeber 21A bezeichnet.

Der Mikroprozessor verarbeitet die Inkrement- und die Segmentsignale zur Erzeugung von Ansteuerimpulsen 25, beispielsweise für die Einspritzung von Kraftstoff. Diese Impulse sind mit 25 bezeichnet. Dazu werden weitere Informationen 26 benötigt, die dem Prozessor 23 über weitere Eingänge E zugeführt werden. Über die Gewinnung dieser Informationen, beispielsweise mittels geeigneter Sensoren, soll hier nichts weiter ausgeführt werden.

Wird einer der beiden Geber 20A, 21A falsch gepolt betrieben, ändert sich sein Ausgangssignal U20 bzw. U21 in der in Fig. 2 dargestellten Weise. Damit eine korrekte Polung bzw. eine Verpolung zuverlässig erkannt werden kann, läuft das im folgenden noch näher beschriebene Verfahren zur Erkennung der Verpolung ab. Dieses Verfahren läuft im Prozessor 23 ab. Falls der Prozessor 23 Bestandteil des Steuergeräts einer Brennkraftmaschine ist, läuft das erfindungsgemäße Verfahren zusätzlich zu bisher üblichen Steuer- bzw. Regelverfahren, beispielsweise für die Einspritzung. Falls der Prozessor lediglich zur Auswertung der Ausgangssignale eines Gebers dient, kann der Prozessor ausschließlich zur Signalauswertung und zur Verpolungserkennung eingesetzt werden.

In Fig. 2 sind Signalverläufe über dem Kurbelwellenwinkel für verschiedene Bedingungen aufgetragen. Im einzelnen zeigt Fig. 2A die Oberfläche der Geberscheibe 10 mit den Winkelmarken 12 sowie der Referenzmarke 13, die durch zwei fehlende Winkelmarken gebildet wird. In Fig. 2B ist das Ausgangssignal U20 des Gebers 20A aufgetragen unter der Voraussetzung, daß der Geber nicht verpolt angeschlossen wurde und daß sich die Geberscheibe 10 mit konstanter Drehzahl dreht. In diesem Fall treten Signalmaxima auf beim Übergang von Winkelmarke zur Lücke und Signalminima beim Übergang von Lücke zur Winkelmarke. Wird das Signal U20 nach Fig. 2B in einem Analog/Digital-Wandler in ein Digitalsignal bzw. in ein Rechtecksignal gewandelt, ergibt sich das in Fig. 2C dargestellte Signal unter der Voraussetzung, daß der Übergang von low zu high bzw. von 0 zu 1 beim Nulldurchgang erfolgt und der Übergang von high zu low bzw. 1 zu 0 bei Erreichen einer Schaltschwelle S1. Die Analyse des Signalverlaufs nach Fig. 2C zeigt, daß die Low-Phasen des Rechtecksignales bei konstanter Drehzahl immer gleich lang sind während die High-Phase im Bereich der Referenzmarken wesentlich länger ist, als im Bereich der übrigen Winkelmarken.

In Fig. 2 D ist das Ausgangssignal U20 des Gebers für den Fall aufgetragen, daß ein verpolter Anschluß vorgenommen wurde. Das Ausgangssignal U20 ist dann jeweils maximal, wenn der Übergang von Lücke zur Winkelmarke den Geber passiert und low, wenn der Übergang von Winkelmarke zur Lücke auftritt. Wird das Signal nach Fig. 2A in derselben Weise analog/digital gewandelt, wie das Signal nach Fig. 2A, ergibt sich der in Fig. 2E dargestellte Rechtecksignalverlauf. Bei diesem Signalverlauf wird deutlich, daß die Low-Phasen unterschiedlich lang sind, wobei im Bereich der Bezugsmarke eine Low-Phase auftritt, die deutlich länger ist, als die Low-Phasen im Bereich der regulären Winkelmarken. Die verschieden langen Signalpausen ergeben sich, da die Abnahme der Spannung im Bereich der Lücke aufgrund des Remanenzverhaltens des Gebers sehr groß ist. Durch Auswertung der Signalpausen läßt sich erkennen, ob der Geber nicht verpolt oder verpolt angeschlossen wurde. Dazu werden die üblicherweise vom Prozessor durchgeführten Zeitmessungen zwischen vorgebbaren Winkelmarken dahingehend untersucht, daß eine zusätzliche Abfrage vorgenommen wird, ob unterschiedlich lange Low-Phasen auftreten.

In Fig. 3 sind weitere Signalverläufe dargestellt, anhand derer ein zweites Auswerteverfahren erläutert wird. Fig. 3A zeigt dabei wieder den Signalverlauf bei nichtverpoltem Geber. Die Zeit zwischen zwei Nulldurchgängen beträgt dabei t, sofern es sich um reguläre Winkelmarken handelt und 3 t, sofern es sich um die Referenzmarke handelt. Zur Erkennung, ob der Geber richtig gepolt ist, werden sogenannte dynamische Plausibilitätsfenster gebildet, in denen der Nulldurchgang des Signales erwartet wird. Ist der Geber falsch gepolt, liefert er ein Ausgangssignal, wie es in Fig. 2B dargestellt ist. Dabei ist zu berücksichtigen, daß der Signalverlauf bei falsch gepoltem Geber gegenüber der Darstellung nach Fig. 3A um einen halben Winkelmarkenabstand verschoben ist, so daß bei den regulären Winkelmarken jeweils die Maxima und die Minima untereinander liegen. Wird das Signal nach Fig. 3A oder 3B in ein Rechtecksignal (Fig. 3C) gewandelt, kann in einem sogenannten Gate-Array ein Plausibilitätsfenster P vorgegeben werden, und es kann überwacht werden, ob ein Nulldurchgang innerhalb eines Plausibilitätsfensters P auftritt. Ist dies nicht der Fall, ergibt sich ein Signalverlauf nach Fig. 3C, und ein Nulldurchgang liegt außerhalb des Plausibilitätsfensters P, während innerhalb des Plausibilitätsfensters kein Nulldurchgang erkannt wird. Durch Überprüfen dieses Sachverhalts läßt sich die falsche Polung erkennen.

Die Wandlung in ein Rechtecksignal erfolgt beispielsweise so, daß Pegeländerungen des Rechtecksignales jeweils beim Nulldurchgang des Analogsignales (Schaltschwelle S0) und beim Erreichen einer Schaltschwelle S1 (Fig. 2) oder S2 (Fig. 3) erfolgen.

Werden die Signaluntersuchungen bei hoher Drehzahl durchgeführt, sind die Signalverläufe systembedingt besonders genau auszuwerten. Es lassen sich dann sehr enge Plausibilitätsfenster setzen, innerhalb derer ein Nulldurchgang zu erwarten ist. Die Verpolungserkennung kann grundsätzlich in einem einfachen System erfolgen, bei dem ausschließlich die Signalauswertung eines Drehzahlgebers durchgeführt wird. Wir die Erfindung in Verbindung mit der Signalauswertung in einem Fahrzeugsteuergerät eingesetzt, kann die Verpolungserkennung zusätzlich zu der üblichen Signalauswertung ablaufen und die ohnehin vorhandene Hardwarekonfiguration ausnützen. So kann beispielsweise die dynamische Plausibilität eines Gate-Array im Bereich der Bezugsmarkenlücke zur Verpolungserkennung herangezogen werden.

Alternativ kann die vorstehend für eine Inkrementscheibe beschriebene Verpolungserkennung auch für eine Segmentscheibe durchgeführt werden, bei der, wie in Fig. 1 dargestellt, eine Segmentmarke beispielsweise durch eine Doppelmarke gebildet wird. Auch in diesem Fall ergibt sich im Bereich der Doppelmarke bei Verpolung ein signifikant unterschiedlicher Signalverlauf gegenüber dem Signalverlauf bei korrektem Geberanschluß. Bei dem bereits erwähnten Auswertesystem bei einer Brennkraftmaschine, bei dem sowohl der Kurbelwellengeber als auch der Nockenwellengeber ausgewertet wird, läßt sich eine Verpolungserkennung durchführen, mit deren Hilfe beide Geber auf Verpolung untersucht werden können. Dabei sollte die Überprüfung nicht gleichzeitig ablaufen, sondern in vorgebbarer Weise nacheinander. Die erkannte Verpolung kann angezeigt und/oder elektronisch kompensiert werden.

Als Ausführungsbeispiel für die Erfindung wurden speziell Drehzahlgeber erwähnt. Grundsätzlich läßt sich die Erfindung auch bei anderen Signalanalysen durchführen, bei denen an einer Singularität ein von der Bewegungsrichtung abhängiger Signalverlauf auftritt oder bei denen generell ein von der Drehrichtung abhängiger Signalverlauf erkennbar ist.

Claims (7)

1. Verfahren und Vorrichtung zur Erkennung einer Verpolung bei einem Signalgeber, insbesonders einem induktiven Geber, der eine Geberscheibe mit einer vorgebbaren Anzahl gleichartiger Winkelmarken, die voneinander den gleichen Abstand aufweisen, abtastet und ein Ausgangssignal mit positiven und negativen Halbschwingungen liefert, die jeweils durch die Flanken der Winkelmarken erzeugt werden und in Auswertemitteln in ein rechteckförmiges Signal gewandelt werden, wobei jeweils beim Erreichen einer ersten Schaltschwelle ein erster Pegelwechsel erfolgt und beim Erreichen der zweiten vorgebbaren Schaltschwelle ein zweiter Pegelwechsel erfolgt und die zeitlichen Abstände zwischen den Pegelwechseln zur Erkennung der Verpolung ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Geberscheibe eine Referenzmarke aufweist, die sich durch einen größeren Abstand zwischen zwei benachbarten Winkelmarken auszeichnet und daß die Verpolung erkannt wird, wenn die zeitlichen Abstände eines vorgebbaren Pegelwechsels im Bereich der Referenzmarke nicht den erwarteten zeitlichen Abständen entsprechen.

2. Verfahren zur Erkennung einer Verpolung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erkennung der Verpolung nur durchgeführt wird, wenn die Drehzahl der Geberscheibe eine vorgebbare Bedingung erfüllt und insbesonders höher ist, als eine vorgebbare Drehzahl.

3. Verfahren zur Erkennung einer Verpolung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schaltschwelle einem Nulldurchgang entspricht.

4. Verfahren zur Erkennung einer Verpolung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schaltschwelle eine vorgebbare positive Spannung ist, die in den Auswertemitteln erzeugt und ggf. in Abhängigkeit von vorhergehenden Signalen angepaßt wird.

5. Verfahren zur Erkennung einer Verpolung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erkennung einer Verpolung erfolgt, sofern der zeitliche Abstand eines Pegelwechsels des Rechtecksignales von low zu high kürzer ist, als die Zeit des Low-Pegels zwischen zwei regulären Winkelmarken.

6. Verfahren zur Erkennung einer Verpolung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Zeitfenster gesetzt werden, die in Abhängigkeit von zuvor ermittelten Zeiten gebildet werden, daß überprüft wird, ob eine erwartete Signalflanke innerhalb des Zeitfensters auftritt und daß, sofern dies nicht der Fall ist, auf Verpolung erkannt wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung eines der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertemittel einen Mikroprozessor umfassen, der die erforderlichen Zeitmessungen durchführt.