DE4003453A1

DE4003453A1 - Schaltungsanordnung fuer eine drehwinkelstellungs-erfassung

Info

Publication number: DE4003453A1
Application number: DE4003453A
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl Ing Dr Zimmermann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1990-02-06
Filing date: 1990-02-06
Publication date: 1991-08-08
Also published as: US5220282A; GB9102191D0; GB2240676A; JPH04213016A; GB2240676B

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für die Ermittlung der Drehwinkelstellung von rotieren den Elementen, insbesondere von einer Welle einer Brennkraftmaschine, mit einem Zähler und einem die Drehwinkelstellung des Elements erfassenden Sensor, dessen Ausgangssignal einer Auswerteschaltung zuge führt wird, wobei die Drehwinkelstellungs-Auflösung der Auswerteschaltung größer als die des Sensors ist und eine Synchronisationsschaltung einen Gleichlauf zwischen dem Ausgangssignal des Sensors und dem zugehörigen, von der Auswerteschaltung stammenden, hochaufgelösten Drehwinkel herstellt.

Die Erfassung der Drehwinkelstellung eines rotie renden Elements stellt eine in der Technik häufig vorkommende Aufgabe dar. In der Kraftfahrzeugtech nik ist es zum Beispiel für die Steuerung der Brennkraftmaschine erforderlich, deren Nockenwel lenstellung oder Kurbelwellenstellung zu erfassen, so daß ein Steuergerät in den richtigen Zeitpunkten seine Steuerfunktionen ausüben kann.

Es sind Drehwinkelmeßsysteme bekannt, die einen Sensor aufweisen, der aus zwei Gebern besteht. Die Geber sind winkelversetzt zueinander angeordnet und erfassen die jeweilige Winkelstellung eines rotie renden Elements durch Abtastung von Markierung oder dergleichen, die in gleichmäßigen Winkelabständen über den Umfang des Elements verteilt angeordnet sind. Der Nachteil dieser bekannten Systeme ist, daß die Auflösung des Meßsignals durch die Anzahl der Markierungen begrenzt ist.

Aus der US-PS 38 30 207 ist eine Steuervorrichtung für die Zündung und die Einspritzung einer Brenn kraftmaschine bekannt, bei der Markierungen der Kurbelwelle und der Nockenwelle der Brennkraftma schine von Sensoren abgetastet werden. Die Aus gangssignale der Sensoren werden einer Auswerte schaltung zugeführt. Der der Kurbelwelle zugeord nete Sensor weist zwei Geber auf, die zwischen sich einen Winkel von 30° einschließen. Durch den Ein satz zweier Sensoren und der Tatsache, daß die Nockenwelle mit der halben Drehzahl der Kurbelwelle umläuft, ist es möglich, Fehler oder Toleranzen bei der Winkelbestimmung der Kurbelwelle zu begrenzen, da der maximal auftretende Fehler stets zwischen dem maximalen Fehler der Kurbelwelle und der Nockenwelle liegt. Durch die geringere Drehzahl der Nockenwelle reduziert sich dort ein Fehler, der bei der Kurbelwelle zum Beispiel 10° beträgt auf 5°. Insofern läßt die bekannte Anordnung eine relativ präzise Bestimmung der Zünd- und Einspritzzeit punkte der Brennkraftmaschine zu. Dennoch ist die Genauigkeit noch verbesserungsbedürftig.

Schaltungsanordnungen der eingangs genannten Art werden in Hybridbauweise als sogenannte Tachogene rator Outputs angeboten. Mit ihnen ist es möglich, eine relativ exakte Drehwinkelstellungs-Erfassung vorzunehmen.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit den im Hauptanspruch genannten Merkmalen hat demgegenüber den Vorteil, daß sich auf besonders einfache Weise eine hohe Auflösung bei der Bestimmung der Drehwin kelstellung erzielen läßt, so daß eine Winkeler mittlung mit entsprechend hoher Genauigkeit mit einfachen und kostengünstigen Mitteln möglich ist. Dabei kann die Auflösung des Meßergebnisses vorge geben werden, so daß die Drehwinkelstellung des ro tierenden Elements theoretisch mit beliebig hoher, wählbarer Auflösung zur Verfügung steht. Erfolgt der Einsatz der erfindungsgemäßen Schaltungsanord nung zum Beispiel zur Drehwinkelstellungerkennung der Nockenwelle einer Brennkraftmaschine, so läßt sich aufgrund der äußerst präzisen Meßergebnisse eine exakte, den jeweils vorliegenden Bedingungen angepaßte ökonomische und auch leistungsfördernde Betriebsführung realisieren. Durch die Drehwinkel stellungserfassung des rotierenden Elements mit Hilfe eines Sensors wird zunächst ein eine relativ geringe Drehwinkelstellungs-Auflösung aufweisendes Ausgangssignal erzeugt. Dies wird dazu benutzt, eine Synchronisationsschaltung zu betreiben, die einen Gleichlauf zwischen diesem Ausgangssignal und einem von der Auswerteschaltung gelieferten, hoch aufgelösten Drehwinkel herstellt. Mithin liefert die Auswerteschaltung den jeweiligen Drehwinkel durch Wahl des Auflösungsgrads in beliebig feiner Abstufung, wobei jedoch stets sicherzustellen ist, daß der nur grob aufgelöste, von dem Sensor erfaßte Drehwinkel im Gleichlauf zum hochaufgelösten Dreh winkel steht. Diese Aufgabe übernimmt die bereits erwähnte Synchronisationsschaltung. Der hochaufge löste Drehwinkel kann vorzugsweise in digitaler Form zur Verfügung gestellt werden. Je nach Wahl der Wortbreite des digitalen Werts läßt sich Ein fluß auf die Auflösung nehmen. Erfindungsgemäß er folgt eine Einstellung der Zählgeschwindigkeit des Zählers durch einen mit dem Ausgangssignal des Sen sors zusammenwirkenden Vergleicher derart, daß sich sein Zählerstand mit einer Frequenz f1 ändert, wenn der Vergleicher seinen einen Zustand und daß eine Änderung mit der Frequenz f2 vorgenommen wird, wenn der Vergleicher seinen anderen Zustand einnimmt. Damit wird mit einfachen Mitteln auf die Zählge schwindigkeit des Zählers Einfluß genommen. Der Vergleicher gehört somit der Synchronisationsschal tung an, die durch Steuerung beziehungsweise Rege lung der Zählgeschwindigkeit des Zählers die Syn chronisation zum Ausgangssignal des Sensors her stellt.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgese hen, daß der Sensor zwei Geber aufweist, die in ei ner 90°-Versetzung zueinander angeordnet sind.

Durch diese 90°-Versetzung weisen die Ausgangssi gnale der beiden Geber die Funktionen

x = sin (Z · a) und
y = cos (Z · a)

auf, wobei "Z" die Zahl von gleichmäßig über den Umfang des Elements verteilter, vom Sensor detek tierbarer Markierungen und "a" der vom Sensor zu messende Drehwinkel ist.

Vorzugsweise ist der durch die Synchronisations schaltung herbeigeführte Gleichlauf mittels eines Regelkreises bewirkt. Dies führt zu besonders exak ten Ergebnissen.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgese hen, daß die Ausgangssignale der Geber jeweils ei nem Analogteil von multiplizierenden Digital-Ana log-Wandlern (D/A-Wandlern) zugeführt werden. Den Digitaleingängen der D/A-Wandler werden die Funk tionen

u = cos b
v = sin b

zugeführt. Hierbei gilt:

b = 360° · i/k,

wobei

i = 0,1,2, . . . k-1

ist sowie durch die Wahl von k, die Auflösung

A = 360°/(k · Z)

bestimmt ist.

Die Funktionen u und v, das heißt, die Cosinus- und Sinusfunktionen, werden von der Auswerteschaltung geliefert. Vorzugsweise sind die Funktionen u und v in einem Speicher, insbesondere in Tabellenform, abgelegt.

Insbesondere ist vorgesehen, daß der Speicher von dem Zähler angesteuert wird, dessen Zählerstand den hochaufgelösten Drehwinkel repräsentiert. Je Umdre hung des Elements läuft der Zähler von einem Mini malzählerstand bis zu einem Maximalzählerstand be ziehungsweise von einem Maximalzählerstand bis zu einem Minimalzählerstand, wobei jeder Zwischenwert einem bestimmten Drehwinkel entspricht. Die Anzahl der Zwischenwerte (Zählerstände) ist wählbar, wo durch auch die Auflösung der Drehwinkelstellung be einflußbar ist.

Betrachtet man die bereits erwähnten D/A-Wandler, so stellen ihre Ausgangswerte die Funktionen

s = sin (Z×a) · cos b

und

t = cos (Z×a) · sin b

dar. Diese beiden Funktionen s und t werden dem Vergleicher zugeführt, dessen Ausgang die Zählge schwindigkeit des Zählers steuert. Der Vergleicher gehört somit einer Synchronisationsschaltung an, die durch Steuerung beziehungsweise Regelung der Zählgeschwindigkeit des Zählers die Synchronisation zu den Ausgangswerten der beiden Geber herstellt.

Bevorzugt ist die Steuerung des Zählers durch den Vergleicher derart bestimmt, daß sich sein Zähler stand i mit einer Frequenz f1 ändert, wenn der Wert der Funktion s größer als der der Funktion t ist und daß eine Änderung mit der Frequenz f2 vorgenom men wird, wenn der Wert der Funktion s kleiner als der der Funktion t ist. Die Frequenzen f1 und f2 sind vorzugsweise konstant und derart gewählt, daß im Drehzahlbereich

n_min < n < n_max

des Elements gilt:

f1 < k · Z · n

und

f2 < k · Z · n,

mit k < 4.

Zeichnung

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische, schematische Dar stellung der Drehwinkelerfassung an einer Welle und

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung zur Bestimmung der Drehwinkelstellung der Welle der Fig. 1.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die Fig. 1 zeigt eine Welle 1, die mit der Dreh zahl n rotiert. Sie stellt somit ein rotierendes Element 2 dar. Bei der Welle 1 kann es sich bei spielsweise um die Nockenwelle einer Brennkraftma schine handeln. Ziel ist es, eine Bestimmung der Drehwinkelstellung, das heißt, den Drehwinkel a der Welle 1 im jeweils betrachteten Zeitpunkt zu ermit teln.

Hierzu ist mit der Welle 1 drehfest ein Geberrad 3 verbunden, das gleichmäßig auf seinem Umfang ver teilte Markierungen 4 aufweist (in der Fig. 1 sind - der Einfachheit halber - nur einige der Markierun gen 4 dargestellt). Die Markierungen 4 werden von durch Lücken 5 abgeteilte Zähne 6 gebildet.

Ferner ist ein Sensor 7 vorgesehen, der sich aus zwei Gebern 8 und 9 zusammensetzt, die mit den Mar kierungen 4 zusammenwirken. Die Geber 8 und 9 sind in einer 90°-Versetzung zueinander angeordnet. Sie können beispielsweise als Feldplatten- oder Induk tivgeber ausgebildet sein. Von den Gebern 8 und 9 führen Leitungen 10 zu einer Schaltungsanordnung 11. Am Ausgang 12 der Schaltungsanordnung 11 steht ein Signal zur Verfügung, das - in hochaufgelöster Form - dem Drehwinkel a der Welle 1 entspricht.

Die Ausgangssignale auf den Leitungen 10 der Geber 8 und 9 sind durch die Funktionen

x = sin (Z · a)

und

y = cos (Z · a)

beschrieben, das heißt, die beiden Geber 8 und 9 liefern zwei zueinander phasenverschobene periodi sche Signale, die - unter Vernachlässigung der darin enthaltenen Oberwellen - durch eine Sinus- und eine Cosinusfunktion gebildet werden. Dabei stellt "Z" die Zahl der gleichmäßig über den Umfang des Geber rads 3 verteilten, vom Sensor 7 detektierten Mar kierungen 4 dar. Mit "a" ist der gemessene Drehwin kel gekennzeichnet.

Die Schaltungsanordnung 11 hat die Aufgabe, die durch die Markierungen 4 nur sehr grobe Auflösung des Drehwinkels a zu verbessern, das heißt, einen hochaufgelösten Drehwinkel a zur Verfügung zu stel len. Vorzugsweise wird der Drehwinkel a in di gitaler Form abgegeben.

In der Fig. 2 ist die Schaltungsanordnung 11 näher dargestellt. Sie weist einen Regelkreis 13, eine Auswerteschaltung 14 sowie eine Synchronisations schaltung 15 auf.

Dem Analogteil 17 eines ersten multiplizierenden Digital-Analog-Wandler 16 wird die Funktion x zu geführt. Ferner ist ein zweiter multiplizierender Digital-Analog-Wandler 18 vorgesehen, an dessen Analogteil 19 die Funktion y anliegt. Die Ausgänge 20 und 21 der Digital-Analog-Wandler 16 und 18 füh ren zu den Eingängen 22 und 23 eines Vergleichers 24. Dessen Ausgang 25 ist an einen Zähler 26 ange schlossen, dem die konstanten Frequenzen f1 und f2 zugeführt werden. Die Frequenzen f1 und f2 sind derart gewählt, daß im Drehzahlbereich der Welle 1

n_min < n < n_max

gilt:

f1 < k · Z · n

und

f2 < k · Z · n

mit k < 4.

Der Vergleicher 24 entscheidet, ob der Zähler 26 mit der Frequenz f1 oder der Frequenz f2 zählt. Es ist ein "Hochzählen" (f1 und/oder f2 < 0) oder ein "Herunterzählen" (f1 und/oder f2 < 0) möglich. Der sich jeweils einstellende Zählerstand i am Ausgang 27 des Zählers 26 stellt ein Maß für einen hochauf gelösten Drehwinkel a dar. Letzterer liegt in digi taler Form vor und kann durch die Wahl von "k" mit theoretisch beliebig wählbarer Auflösung

A = 360°/(k · Z)

zur Verfügung gestellt werden. Da - je nach Ausfüh rungsbeispiel - der Zähler 26 positiv und/oder nega tiv zählt, wird er entweder als Vorwärts- und/oder als Rückwärtszähler betrieben.

Der Ausgang 27 des Zählers 26 führt zu einem Spei cher 28, in dem - vorzugsweise in Tabellenform - die Funktionen

u = cos b

und

v = sin b

abgelegt sind, wobei

b = 360° · i/k

ist, mit

i = 0,1,2, . . . k-1

und - wie bereits erwähnt - durch die Wahl von k die Auflösung A bestimmbar ist.

Die Funktion u wird dem Digitalteil 29 des ersten Digital-Analog-Wandlers 16 und die Funktion v dem Digitalteil 30 des zweiten Digital-Analog-Wandlers 18 als Eingangsgrößen zugeführt.

Mithin steht am Ausgang 20 des ersten Digi tal-Analog-Wandlers 16 eine Funktion s zur Verfü gung, die sich zu

s = sin (Z · a) · cos b

ergibt.

Ferner steht am Ausgang 21 eine Funktion t an. Diese lautet:

t = cos (Z · a) · sin b.

Die Steuerung des Zählers 26 durch den Vergleicher 24 erfolgt derart, daß sich sein Zählerstand i mit der Frequenz f1 ändert, wenn der Wert der Funktion s größer als der der Funktion t ist und daß eine Änderung mit der Frequenz f2 vorgenommen wird, wenn der Wert der Funktion s kleiner als der der Funk tion t ist.

Wenn im Betrieb der Schaltungsanordnung 11 der Wert b kleiner als das Produkt Z · a ist, wird der Wert der Funktion s größer als der der Funktion t, wo durch der Vergleicher 24 den Zähler 26 derart steu ert, daß sein Zählerstand i mit der Frequenz f1 be trieben wird, so daß der Wert b schneller zunimmt, als der Winkel Z · a. Ist b größer als Z · a, so wird die Funktion s kleiner als die Funktion t, wo durch mittels des Vergleichers 24 der Zähler 26 mit der Frequenz f2 betrieben wird, so daß der Wert b langsamer zunimmt als der Winkel Z · a. Im einge schwungenen Zustand pendelt der Wert b = 360° · i/k damit periodisch mit einer Schwankungsbreite Δb = 360° · 1/k um den Wert Z · a. Stets ist also dafür Sorge getragen, daß die Synchronisations schaltung 15 einen Gleichlauf zwischen dem Aus gangssignal des Sensors 7 und dem zugehörigen, von der Schaltungsanordnung 11 stammenden, hochaufgelö sten Drehwinkel a herstellt. Durch die Wahl von "k" läßt sich die Auflösung bei der Drehwinkelbestim mung theoretisch beliebig erhöhen.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ermöglicht daher eine hochaufgelöste Drehwinkelstellung-Be stimmung eines rotierenden Elements.

Claims

1. Schaltungsanordnung für die Ermittlung der Drehwinkelstellung von rotierenden Elementen, ins besondere von einer Welle einer Brennkraftmaschine, mit einem Zähler und einem die Drehwinkelstellung des Elements erfassenden Sensor, dessen Ausgangssi gnal einer Auswerteschaltung zugeführt wird, wobei die Drehwinkelstellungs-Auflösung der Auswerte schaltung größer als die des Sensors ist und eine Synchronisationsschaltung einen Gleichlauf zwischen dem Ausgangssignal des Sensors und dem zugehörigen, von der Auswerteschaltung stammenden, hochaufgelö sten Drehwinkel herstellt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einstellung der Zählgeschwindigkeit des Zählers (26) durch einen mit dem Ausgangssignal des Sensors (7) zusammenwirkenden Vergleicher (24) der art erfolgt, daß sich sein Zählerstand (i) mit ei ner Frequenz f1 ändert, wenn der Vergleicher (24) seinen einen Zustand aufweist und daß eine Änderung mit der Frequenz f2 vorgenommen wird, wenn der Ver gleicher seinen anderen Zustand einnimmt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (7) zwei Geber (8, 9) aufweist, die in einer 90°-Versetzung zueinander angeordnet sind.

3. Schaltungsanordnung nach einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der beiden Geber (8, 9) durch die Funktionen x = sin (Z · a)undy = cos (Z · a)beschrieben sind, wobei "Z" die Zahl von gleich mäßig über den Umfang des Elements (2) verteilter, vom Sensor (7) detektierbarer Markierungen (4) und "a" der vom Sensor (7) gemessene Drehwinkel ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Synchronisationsschaltung (15) bewirkte Gleichlauf mittels eines Regelkreises (13) erzielt ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der Geber (8, 9) jeweils einem Ana logteil (18, 19) von multiplizierenden Digital-Ana log-Wandlern (16, 18) zugeführt werden.

6. Schaltungsanordnung nach einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß den Digital-Eingängen der Digital-Analog-Wandler (16, 18) die Funktionen u = cos bundv = sin bzugeführt werden, wobeib = 360° · i/kundi = 0,1,2, . . . k-1ist, sowie durch die Wahl von "k" die Auflösung
A = 360°(k · Z)
bestimmbar ist.

7. Schaltungsanordnung nach einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionen u und v in einem Speicher (28), insbe sondere in Tabellenform, abgelegt sind.

8. Schaltungsanordnung nach einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (28) von dem Zähler (26) angesteuert wird, dessen Zählerstand (i) den hochaufgelösten Drehwin kel (a) repräsentiert.

9. Schaltungsanordnung nach einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionen s = sin (Z · a) · cos bundt = cos (Z · a) · sin bdarstellenden Ausgangswerte der Digital-Analog- Wandler (16, 18) dem Vergleicher (24) zugeführt wer den.

10. Schaltungsanordnung nach einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleicher (24) seinen einen Zustand annimmt, wenn der Wert der Funktion s größer als der der Funktion t ist und daß der Vergleicher (24) seinen anderen Zustand annimmt, wenn der Wert der Funktion s klei ner als der der Funktion t ist.

11. Schaltungsanordnung nach einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzen f1 und f2 konstant und derart gewählt sind, daß im Drehzahlbereich n_min < n < n_maxdes Elements (2) gilt:f1 < k · Z · nundf2 < k · Z · n,vorzugsweise mit k < 4.