DE4003453A1 - Schaltungsanordnung fuer eine drehwinkelstellungs-erfassung - Google Patents
Schaltungsanordnung fuer eine drehwinkelstellungs-erfassungInfo
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Description
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.
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)
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
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
nmin < n < nmax
des Elements gilt:
f1 < k · Z · n
und
f2 < k · Z · n,
mit k < 4.
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.
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
nmin < n < nmax
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 (11)
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.
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
nmin < n < nmaxdes Elements (2) gilt:f1 < k · Z · nundf2 < k · Z · n,vorzugsweise mit k < 4.
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