DE4132731A1 - Winkelpositionserfassungsgeraet - Google Patents

Winkelpositionserfassungsgeraet

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zur Erfassung der Winkelposition der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors unter Verwendung einer elektromagnetischen Aufnehmervorrichtung, die magnetischen Vorsprüngen oder Zähnen gegenübersteht, die in und entlang der äußeren Peripherie einer drehbaren Scheibe angeordnet sind. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Verbesserung des Winkelpositionserfassungsgerätes solcher Art, daß pulsierende Störsignalkomponenten, die dem Ausgangssignal der elektromagnetischen Aufnehmervorrichtung überlagert sind, beseitigt werden können, um dadurch eine hohe Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Erfassung der Winkelposition der Kurbelwelle und somit der Betriebssteuerung des Motors zu gewährleisten.
Allgemein weist ein Verbrennungsmotor, wie etwa ein Benzinmotor für ein Motorfahrzeug, eine Vielzahl von Zylindern auf, in denen eine Luft-Kraftstoffmischung verdichtet und in einem optimalen Zündzeitpunkt verbrannt wird. In diesem Zusammenhang ist bereits eine auf einem Mikroprozessor basierende Motorsteuereinheit (auch als ECU bezeichnet) sowohl für die optimale Steuerung des Zündzeitpunktes der Zündvorrichtungen, als auch der Kraftstoffeinspritzfolge der Einspritzdüsen für den einzelnen Motorzylinder vorgeschlagen und in weitem Umfang praktisch verwendet worden.
Weiter sind als Mittel zur Erfassung der Winkelposition der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors (im folgenden einfach als Motor bezeichnet) eine unterschiedliche Anzahl von Drähten vorgeschlagen worden, um Daten über Betriebsstellungen des einzelnen Zylinders zu erhalten, von denen ein Winkelpositionserfassungsgerät besonders erwähnt werden soll, das aus einer elektromagnetischen Aufnehmervorrichtung und einer Scheibe besteht, deren äußere Peripherie mit magnetischen Vorsprüngen oder Zähnen versehen ist. Bei einem solchen Winkelpositionserfassungsgerät ist die elektromagnetische Aufnehmervorrichtung gewöhnlich senkrecht gegenüber der Rotationsebene der Scheibe angeordnet, und zwar aufgrund der in bezug auf den verfügbaren Platz für die Montage des Gerätes auferlegten Beschränkungen.
Zum besseren Verständnis des Hintergrundes der Erfindung wird zunächst ein bekanntes Winkelpositionserfassungsgerät gemäß den Fig. 8 bis 12 beschrieben, von denen Fig. 8 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Struktur des bekannten Winkelpositionserfassungsgerätes darstellt, während Fig. 9 eine Draufsicht auf die geometrische Gestalt einer Scheibe als Bestandteil des Gerätes, und Fig. 10 eine schematische Schnittansicht zur Veranschaulichung der Struktur einer elektromagnetischen Abnehmervorrichtung darstellen, die einen weiteren Bestandteil des Gerätes bilden. Die Fig. 11 und 12 stellen Wellenformdiagramme zur Veranschaulichung der mit dem bekannten Winkelpositionserfassungsgerät verbundenen Probleme dar.
In Fig. 8 bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine Scheibe, die synchron mit der Kurbelwelle des Motors (nicht dargestellt) umläuft und eine Vielzahl von magnetischen Vorsprüngen oder Zähnen 2 aufweist, die in und entlang der umfangsseitigen, peripheren Kante der Scheibe 1 in gleichen Winkelabständen angebracht sind. In Fig. 9 sind nur einige der Zähne dargestellt. In diesem Zusammenhang soll bemerkt werden, daß die genannten Zähne oder Vorsprünge durch Aussparungen, Vertiefungen o. dgl. ersetzt werden können, die im wesentlichen die gleichen Ergebnisse erbringen, sofern sie Änderungen in der magnetischen Charakteristik oder dem Ausgangssignal der elektromagnetischen Aufnehmervorrichtung bewirken.
Das Bezugszeichen 10 bezeichnet allgemein die elektromagnetische Aufnehmervorrichtung, die senkrecht zur Rotationsebene der Scheiben 1 angeordnet und aus der Gegenlage auf die magnetischen Zähne 2 gerichtet ist. Wie aus Fig. 10 hervorgeht, weist die elektromagnetische Aufnehmervorrichtung folgende Komponenten auf: einen Kern 11 mit einem in Richtung auf die Zähne 2 vorspringenden Ende, das mit Abstand den Zähnen gegenübersteht; eine Spule 12, die um den Kern 11 angeordnet ist; eine Spule 13, die auf die Spule 12 aufgewickelt ist; einen Magneten 14, der magnetisch mit dem Kern 11 am inneren Ende desselben gekoppelt ist; eine Elektrode bzw. eine Klemme 15, die mit einem Ende der Spule 13 verbunden ist; ein Gußgehäuse 16 zur festen Paketierung der vorerwähnten Komponenten 11, 12, 13, 14 und 15 in einer einstückigen Struktur; und einen Stecker 17 zum elektrischen Anschließen der Elektrode 15 an eine Motorsteuereinheit 30 (im folgenden der Kürze halber als ECU bezeichnet; vgl. Fig. 8).
Gemäß Fig. 8 ist ein aus der ECU 30 kommender Zuführungsdraht 19 mit einem Ende an die Elektrode 15 des Steckers 17 zur Ableitung eines Ausgangssignals A aus der elektromagnetischen Aufnehmervorrichtung 10 angeschlossen. Die ECU 30 weist eine Formgebungsschaltung 20 auf, in die das Ausgangssignal A der elektromagnetischen Aufnehmervorrichtung 10 über den Zuführungsdraht 19 eingegeben wird.
Die Formgebungsschaltung 20 weist einen Komparator 21 zum Umformen des Ausgangssignals A der Aufnehmervorrichtung 10 in ein rechteckiges Ausgangssignal B, einen Widerstand 22, der zwischem den Zuführungsdraht 19 und eine Eingangsklemme des Komparators 21 geschaltet ist, und einen Kondensator 23 auf, der zwischen die eine Eingangsklemme des Komparators 21 und Erde geschaltet ist. Der Widerstand 22 und der Kondensator 23 bilden zusammen ein Tiefpaßfilter zur Beseitigung äußerer elektromagnetischer Störungen, die dem Ausgangssignal A der Aufnehmervorrichtung 10 auf seinem Wege über den Zuleitungsdraht 19 zur Formgebungsschaltung 20 überlagert werden, und die gewöhnlich Komponenten höherer Frequenz als derjenigen des Ausgangssignals A enthalten. Die andere Eingangsklemme des Komparators 21 ist geerdet, so daß sie als Bezugsspannungseingangsklemme dient.
Die ECU 30 umfaßt eine Zentraleinheit (nicht dargestellt) zur rechnerischen Bestimmung der Winkelposition der Motorkurbelwelle auf der Basis des rechteckigen Wellenformsignals B, das von der Formgebungsschaltung 20 ausgegeben wird. Daten über die so bestimmte Winkelposition (Kurbelwinkel) werden zur Steuerung der Zündzeitgabe für die Motorzylinder sowie für andere Zwecke benutzt.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf die in den Fig. 11 und 12 dargestellten Wellenformdiagramme die Betriebsweise des bekannten Winkelpositionserfassungsgerätes verdeutlicht.
Wenn die Scheibe 1 synchron mit der Kurbelwelle umläuft, passieren die magnetischen Zähne 2 der Scheibe 1 nacheinander das nach außen vorspringende Ende des Kerns 11. Dadurch wird eine pulsierende Spannung in der Spule 13 induziert. Die induzierte Spannung wird als Signal A ausgegeben und an die Formgebungsschaltung 20 der ECU 30 über die Elektrode 15 und den Zuführungsdraht 19 geliefert.
In diesem Zusammenhang sei bemerkt, daß die Impedanz der Formgebungsschaltung 20 in der Größenordnung von 100 kΩ gewählt wurde, um eine ausreichend hohe Spannungsamplitude des rechteckigen Wellenformsignals zu gewährleisten, während normalerweise die Impedanz der elektromagnetischen Aufnehmervorrichtung 10 im Bereich von 500Ω bis 1 kΩ liegt. Dementsprechend werden äußere elektromagnetische Steuerungen, die aufgrund der Handhabung bzw. Betätigung verschiedener Schalter und anderer elektrischer Teile erzeugt werden, voraussichtlich dem Ausgangssignal A auf seinem Wege zur ECU 30 über den Zuführungsdraht 19 überlagert. Unter diesen Umständen ist das aus dem Widerstand 22 und dem Kondensator 23 aufgebaute Tiefpaßfilter so dimensioniert, daß nur das eigentliche Ausgangssignal A das Filter passiert. Der Komparator 21 vergleicht das durch das Tiefpaßfilter gelaufene Ausgangssignal A mit dem Erdpotential und erzeugt daraufhin ein rechteckiges Wellenformsignal B, das eine Anzahl von Impulsen entsprechend der Anzahl der magnetischen Zähne 2 enthält.
Das vom Komparator 21 gelieferte Ausgangssignal B sollte wünschenswerterweise eine ideale rechteckförmig verlaufende Wellenform entsprechend der Folge der magnetischen Zähne 2 besitzen, wie dies in Fig. 11 dargestellt ist. Zu diesem Zweck sollte die Scheibe 1 eine ideale Flächigkeit aufweisen und keine mechanischen Vibrationen erzeugen.
Wenn die Scheibe 1 beispielsweise 180 magnetische Zähne 2 aufweist, stellt einer der Impulse des rechteckigen Wellenformsignals B in einem solchen Fall einen Winkel oder ein Winkelinkrement von 2° dar. Dementsprechend kann die ECU 30 die Winkelposition der Kurbelwelle (d. h. den Kurbelwinkel) und somit die Hubpositionen der einzelnen Motorzylinder mit einem ausreichend hohen Grad an Genauigkeit selektiv identifizieren, was wiederum bedeutet, daß der Zylinderbetrieb optimal mit hoher Zuverlässigkeit gesteuert werden kann.
In der Praxis ist jedoch die Scheibe 1 mehr oder weniger verformt oder verworfen und außerdem Vibrationen von Seiten des Motors ausgesetzt. Die Folge ist, daß dem Ausgangssignal A unvermeidlicherweise eine pulsierende Störkomponente mit einer Frequenz überlagert ist, die der Motorumdrehungsgeschwindigkeit bzw. der Anzahl der Umdrehungen pro Minute des Motors proportional ist, was in Fig. 12 durch eine einzelpunktierte, unterbrochene Linienkurve dargestellt ist. Die pulsierende Störkomponente besitzt eine niedrigere Frequenz als die des eigentlichen Ausgangssignals A. Natürlich nimmt der Störpegel mit steigender Motorumdrehungsgeschwindigkeit bzw. zunehmender Anzahl der Umdrehungen pro Minute zu, wie dies auch in bezug auf das eigentliche Ausgangssignal A der Fall ist.
Wie oben beschrieben, ist die Formgebungsschaltung 20 mit einem aus dem Widerstand 22 und dem Kondensator 23 bestehenden Tiefpaßfilter ausgestattet, so daß der Pegel des eigentlichen Ausgangssignals A dahin tendiert, mit zunehmender Frequenz Sättigung zu erreichen. Im Gegensatz dazu kann die Störkomponente, deren Frequenz inhärent niedrig ist, die Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters nicht erreichen. Aus diesem Grunde nimmt mit steigender Motorumdrehungsgeschwindigkeit der Pegel der Störkomponente entsprechend zu.
Unter diesen Umständen nimmt das SN-Verhältnis (Nutzsignal/Störsignal) umso mehr ab, als die Motorumdrehungszahl zunimmt, wodurch die pulsierende Störkomponente dahin tendiert, angehoben und derart bemerkbar zu werden, daß der Tastgrad des von der Impulsgebungsschaltung 20 ausgegebenen Impulssignals B instabil bzw. unstetig wird. Im Extremfall können die Impulse aus dem Signal B verschwinden, was natürlich ein großes Hindernis für die von der ECU 30 durchgeführten Motorsteuerungsoperation darstellt.
Es ist demgemäß ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Winkelpositionserfassungsgerät zu schaffen, das im wesentlichen gegen die Nachteile des bekannten, oben beschriebenen Gerätes immun ist, und bei dem das Tiefpaßfilter sowohl bei gleichzeitiger Gewährleistung eines signifikant verbesserten SN-Verhältnisses, als auch einer erhöhten Zuverlässigkeit fortgelassen werden kann, und zwar durch tatsächliche Beseitigung der pulsierenden Störkomponenten.
In Anbetracht der oben genannten sowie weiterer Ziele der Erfindung, die aus der nachfolgenden Beschreibung deutlich werden, wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ein Gerät zur Erfassung der Winkelposition der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors geschaffen, der folgende Komponenten aufweist: eine Scheibe, die synchron mit der Umdrehung der Kurbelwelle drehbar ist; eine Reihe von magnetischen Elementen, die auf der Scheibe entlang einer Umfangsperipherie der Scheibe in gleichen Umfangsabständen angeordnet sind; eine elektromagnetische Aufnehmervorrichtung, die senkrecht zur Rotationsebene der Scheibe und gegenüber der Reihe der magnetischen Elemente angeordnet ist; eine Formgebungsschaltung mit einem Komparator zur Umformung des Ausgangssignals der elektromagnetischen Aufnehmervorrichtung in ein rechteckiges Wellenformsignal; und eine Motorsteuereinheit zur selektiven Identifizierung der Winkelposition der Kurbelwelle auf der Basis des rechteckigen Wellenformsignals. Die Formgebungsschaltung ist einstückig mit der elektromagnetischen Aufnehmervorrichtung ausgebildet und weist Gleichrichtungs-/Glättungsmittel zum Gleichrichten und Glätten des Ausgangssignals der magnetischen Aufnehmervorrichtung auf, um dadurch ein Pegelsignal zu erzeugen, und sie weist Hochpaßfiltermittel mit einer Grenzfrequenz auf, die in Abhängigkeit vom Pegelsignal veränderlich ist, wobei das Ausgangssignal der elektromagnetischen Aufnehmervorrichtung nach Durchlaufen der Hochpaßfiltermittel in den Komparator eingegeben wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Gerät zur Erfassung der Winkelposition der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors geschaffen, der folgende Komponenten aufweist: eine Scheibe, die synchron mit der Umdrehung der Kurbelwelle drehbar ist; eine Reihe von magnetischen Elementen, die auf der Scheibe entlang einer Umfangsperipherie der Scheibe in gleichen Umfangsabständen angeordnet sind; eine elektromagnetische Aufnehmervorrichtung, die senkrecht zur Rotationsebene der Scheibe und gegenüber der Reihe der magnetischen Elemente angeordnet ist; eine Formgebungsschaltung mit einem Komparator zur Umformung des Ausgangssignals der elektromagnetischen Aufnehmervorrichtung in ein rechteckiges Wellenformsignal; und eine Motorsteuereinheit zur selektiven Identifizierung der Winkelposition der Kurbelwelle auf Basis des rechteckigen Wellenformsignals. Die Formgebungsschaltung ist einstückig mit der elektromagnetischen Aufnehmervorrichtung ausgebildet und weist Gleichrichtungs-/Glättungsmittel zum Gleichrichten und Glätten des Ausgangssignals der magnetischen Aufnehmervorrichtung auf, um dadurch ein Pegelsignal zu erzeugen, und sie weist Hochpaßfiltermittel mit einer Grenzfrequenz auf, die in Abhängigkeit vom Pegelsignal veränderlich ist. Das Ausgangssignal, das die Hochpaßfilterschaltung durchlaufen hat, wird in den Komparator eingegeben.
Bei dem Gerät gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung können der im bekannten Gerät verwendete Zuleitungsdraht sowie das Tiefpaßfilter entfallen. Darüber hinaus kann durch Verwendung eines Integrationssignals, das beim Mitlaufen mit der pulsierenden Störkomponente variiert, als Bezugsspannung für den einen Hauptbestandteil der Formgebungsschaltung bildenden Komparator der Einfluß der pulsierenden Störkomponente drastisch unterdrückt werden.
Bei dem Gerät gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung können der Zuführungsdraht und das Tiefpaßfilter überflüssig gemacht werden. Darüber hinaus kann die pulsierende Störkomponente allein durch Verwenden des Hochpaßfilters mit einer Grenzfrequenz definitiv beseitigt werden, die gemäß dem Aufnehmerausgangssignal aufgrund des Vorteils steuerbar angepaßt werden kann, daß das Ausgangssignal der Motorumdrehungsgeschwindigkeit proportional ist.
Die oben genannten sowie weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung von Beispielen oder bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher hervor.
Nachfolgend wird der wesentliche Gegenstand der Figuren kurz beschrieben.
Fig. 1 stellt einen schematischen Querschnitt durch ein Winkelpositionserfassungsgerät gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung dar, das eine elektromagnetische Aufnehmervorrichtung mit einer Formgebungsschaltung in einem Stück vereinigt;
Fig. 2 stellt ein Schaltbild zur Veranschaulichung von Einzelheiten der im Gerät gemäß Fig. 1 enthaltenen Formgebungsschaltung dar;
Fig. 3 stellt ein Wellenformdiagramm zur Veranschaulichung der Betriebsweise der Formgebungsschaltung dar;
Fig. 4 stellt das Schaltbild einer Schaltungskonfiguration der Formgebungsschaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung dar;
Fig. 5 stellt ein Kennliniendiagramm zur Veranschaulichung der Betriebsweise der in Fig. 4 dargestellten Formgebungsschaltung dar;
Fig. 6 stellt ein Diagramm zur Veranschaulichung der Frequenzcharakteristik der in Fig. 4 dargestellten Formgebungsschaltung dar;
Fig. 7 stellt ein Wellenformdiagramm zur Veranschaulichung der Betriebsweise der in Fig. 4 dargestellten Formgebungsschaltung dar;
Fig. 8 stellt ein Diagramm der Struktur eines bekannten Winkelpositionserfassungsgerätes dar;
Fig. 9 stellt eine Draufsicht auf eine Scheibe dar, die Bestandteil des in Fig. 8 dargestellten Gerätes ist;
Fig. 10 stellt eine schematische Schnittansicht durch die Struktur einer elektromagnetischen Aufnehmervorrichtung dar, die einen anderen Bestandteil des in Fig. 8 dargestellten Winkelpositionserfassungsgerätes bildet;
Fig. 11 stellt ein Wellenformdiagramm zur Veranschaulichung eines idealen Ausgangssignals, sowie eine Rechteckwellenform dar, die im Winkelpositionserfassungsgerät auftreten müssen; und
Fig. 12 stellt ein Wellenformdiagramm zur Veranschaulichung der Betriebsweise der in Fig. 8 dargestellten Formgebungsschaltung dar.
Nachfolgend wird die Erfindung in Verbindung mit Beispielen oder bevorzugten Ausführungsformen derselben unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben.
Fig. 1 stellt eine schematische Querschnittsansicht durch ein Winkelpositionserfassungsgerät gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung dar. In dieser Figur kennzeichnen die Bezugssymbole 10A und 20A eine elektromagnetische Aufnehmervorrichtung sowie eine Formgebungsschaltung, die jeweils den mit den Bezugszeichen 10 und 20 in Fig. 1 gekennzeichneten Komponenten entsprechen und eingangs beschrieben worden sind. Weiter handelt es sich bei den in Fig. 1 dargestellten Komponenten 11 bis 17 um jene, die den in Fig. 8 mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichneten Komponenten gleichen oder äquivalent sind. Es sei darüberhinaus bemerkt, daß die Scheibe 1 sowie die entlang der Umfangsperipherie der Scheibe angebrachten Zähne 2 jenen Zähnen entsprechen, die eingangs unter Bezugnahme auf die Fig. 8 und 9 beschrieben worden sind.
Was das Winkelpositionserfassungsgerät gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung anbetrifft, ist die Formgebungsschaltung 20A als hybride, integrierte Schaltung (IC) ausgebildet und einstückig mit der elektromagnetischen Aufnehmervorrichtung 10A kombiniert. Demgemäß ist der in Fig. 8 dargestellte Zuleitungsdraht 19 der Aufnehmervorrichtung überflüssig geworden, was wiederum bedeutet, daß die Möglichkeit der Überlagerung des von der Aufnehmervorrichtung 10A erzeugten eigentlichen bzw. intrinsischen Signals A durch äußere elektromagnetische Störungen ausgeschlossen ist. Das zuvor erwähnte Tiefpaßfilter mit den Elementen 22 und 23 kann also ebenfalls entfallen.
In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 18 eine Elektrode bzw. eine Klemme, an der ein von der Formgebungsschaltung 20A erzeugtes rechteckförmiges Wellensignal abgegriffen und an eine Motorsteuereinheit oder eine ECU (nicht dargestellt) angelegt werden kann.
Fig. 2 stellt eine konkrete Beschaltung der Formgebungsschaltung 20A dar. Das Bezugszeichen 25 bezeichnet einen Integrator zum Integrieren des von der Aufnehmervorrichtung 10A erzeugten Ausgangssignals A in der zuvor unter Bezugnahme auf die Fig. 8 bis 12 beschriebenen Weise. Die Ausgabe des Integrators 25 wird als Bezugsspannung VP für den Komparator 21 benutzt. Hierzu weist der Integrator 25 einen in Reihe mit einer Bezugsspannungseingangsklemme des Komparators 21 geschalteten Widerstand 26, sowie einen zwischen den Widerstand 26 und Erde eingefügten Kondensator 27 auf.
Nunmehr wird die Betriebsweise des Winkelpositionserfassungsgerätes gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf das in Fig. 3 dargestellte Wellenformdiagramm beschrieben.
Die in der Spule 13 entsprechend der eingangs beschriebenen Weise induzierte Spannung wird als Ausgangssignal A der elektromagnetischen Aufnehmervorrichtung 10A über die Elektrode 15 in die Formgebungsschaltung 20A eingegeben.
In diesem Zusammenhang sei bemerkt, daß aufgrund der einstückigen Kombination der Formgebungsschaltung 20A und der elektromagnetischen Aufnehmervorrichtung 10A ohne irgendeine Zwischenverbindung eines Zuführungsdrahtes die Möglichkeit definitiv ausgeschlossen ist, daß sich äußere elektromagnetische Störsignale dem Ausgangssignal A überlagern. Aufgrund dieses Merkmals besteht keine Notwendigkeit mehr für ein Tiefpaßfilter, wie weiter oben in bezug auf das bekannte Gerät beschrieben wurde. Dies bedeutet wiederum, daß der Pegel des Ausgangssignals A im Hochgeschwindigkeitsbereich des Motors nicht niedrig werden kann, so daß das SN-Verhältnis erheblich verbessert wird, was einen bedeutenden Vorteil darstellt.
Der Integrator 25 der Formgebungsschaltung 20A integriert das Ausgangssignal A und erzeugt damit ein Bezugsspannungssignal VR, dessen Signalpegel in Abhängigkeit von der Frequenz der pulsierenden Störkomponente variiert, wie weiter oben erwähnt wurde und in Fig. 3 dargestellt ist. Die Bezugsspannung VR wird an die Bezugsspannungseingangsklemme des Komparators 21 angelegt. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, entspricht das Bezugsspannungssignal VR dem mittleren Pegel eines Wechselstromsignals, das aus der synthetischen Kombination bzw. Mischung des intrinsischen Ausgangssignals und der pulsierenden Störkomponente hervorgeht. Der Komparator 21 vergleicht das Ausgangssignal A mit dem Bezugsspannungssignal VR und erzeugt daraufhin ein rechteckiges Wellenformsignal B, das durch die pulsierende Störkomponente weniger stark beeinflußt wird, wie in Fig. 3 durch die untere Kurve dargestellt ist. Das Signal B besitzt mit anderen Worten eine ideale Impulswellenform, die einen wohl definierten Betriebszyklus wiedergibt.
Übrigens können der Widerstandswert des Widerstandes 26 und die elektrostatische Kapazität des Kondensators 27 im Hinblick auf die Frequenz der zu eliminierenden pulsierenden Störkomponente sowie im Hinblick auf den Bereich der Umdrehungsgeschwindigkeit des zu steuernden Motors gewählt werden.
Als nächstes wird eine weitere Ausführungsform der Erfindung beschrieben, mit der die pulsierende Störkomponente durch Verwendung eines Hochpaßfilters veränderlicher Grenzfrequenz definitiv beseitigt wird.
Fig. 4 stellt die Formgebungsschaltung 20B einer zweiten Ausführungsform der Erfindung dar. Diejenigen Teile, die in der Fig. 4 fortgelassen worden sind, entsprechen jenen der Fig. 1.
Gemäß Fig. 1 sind Spannungsteilerwiderstände 28, 29 untereinander in Reihe geschaltet und bilden eine Bezugsspannungsschaltung zur Erzeugung einer Bezugsspannung VRO für den Komparator 21, und zwar durch entsprechende Teilung einer Quellenspannung VB. Der Verbindungspunkt zwischen den Spannungsteilerwiderständen 28 und 29 ist mit dem anderen Ende der Spule 13 der elektromagnetischen Aufnehmervorrichtung 10A verbunden. Eine Gleichrichtungs-/Glättungsfilterschaltung 40 dient zum Gleichrichten und Glätten des Ausgangssignals A der elektromagnetischen Aufnehmervorrichtung (im folgenden als Aufnehmerausgangssignal bezeichnet), um ein Pegelsignal S1 zu erzeugen. Eine Hochpaßfilterschaltung 50 mit variaber Grenzfrequenz f0 ist zwischen die Spule 13 und die Ausgangsseite des Komparators 21 geschaltet, so daß das Ausgangssignal A′ der Filterschaltung 50 an die Eingangsklemmen des Komparators 21 angelegt wird. Die Grenzfrequenz f0 der Hochpaßfilterschaltung 50 verändert sich in Abhängigkeit vom Pegelsignal S.
Die Gleichrichtungs-/Glättungsfilterschaltung 40 ist, wie nachfolgend beschrieben, aufgebaut. Ein Widerstand 41 ist an das eine Ende der Spule 13 angeschlossen, so daß er das Ausgangssignal A der Spule 13 oder die daran liegende Spannung erhält. Eine Gleichrichterdiode 42 ist mit ihrer Anode an den Widerstand 41 angeschlossen. Ein Kondensator 43 ist zwischen die Kathode der Diode 42 und Erde geschaltet und bildet, zusammen mit dem Widerstand 41, eine Schaltung, welche die Zeitkonstante definiert. Ein Paar von Spannungsteilerwiderständen 44 und 45 sind in Reihe zwischen die Spannung VB und Erde zur Erzeugung einer der Bezugsspannung VRO äquivalenten Spannung angeschlossen. Eine Klemmdiode 46 ist mit der Kathode an den Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 44 und 45 angeschlossen. Das Pegelsignal F des Aufnehmerausgangssignals A der Aufnehmerspule 13 wird von einem Verbindungspunkt zwischen der Kathode der Gleichrichterdiode 42 und der Anode der Klemmdiode 46 angezapft.
Bezugnehmend auf die Hochpaßfilterschaltung 50 ist ein Kondensator 51 mit einem Ende an eine erste Ausgangsklemme des Komparators 21, und mit dem anderen Ende an ein Ende der Aufnehmerspule 13 angeschlossen, deren anderes Ende mit der zweiten Eingangsklemme des Komparators 21 verbunden ist. Ein Widerstand 51 ist mit einem Ende an einen Knoten zwischen dem einen Ende des Kondensators 51 und der ersten Eingangsklemme des Komparators 21 angeschlossen, während er mit dem anderen Ende an einen Knoten zwischen der Spule 13 und der zweiten Eingangsklemme des Komparators 21 angeschlossen ist, so daß er zusammen mit dem Kondensator 51 eine Schaltung bildet, die eine Zeitkonstante definiert. Ein Junktion-Feldeffektransistor 53 mit N-Übergang (im folgenden der Kürze halber nur als FET bezeichnet) ist parallel mit dem Widerstand 52 jeweils zwischen die erste und die zweite Eingangsklemme des Komparators 21 geschaltet. Der FET 53 besitzt ein Gate, an welches das von der Gleichrichtungs-/Glättungsfilterschaltung 40 gelieferte Pegelsignal S angelegt wird.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf die in den Fig. 5 und 6 dargestellten Kennliniendiagrammen im Verein mit dem Wellenformdiagramm der Fig. 7 die Betriebsweise der in Fig. 4 dargestellten Formgebungsschaltung beschrieben.
Zunächst wird eine am Widerstand 29 liegende Bezugsspannung VRO, die an die zweite Eingangsklemme des Komparators 21 angelegt werden muß, durch passende Wahl der Widerstandswerte der Spannungsteilerwiderstände 28 und 29 festgesetzt bzw. eingestellt. Diese Bezugsspannung VRO wird ebenfalls als Drain-Spannung an den FET 53 angelegt, um dadurch die Betriebskennlinie des FETs 53 durch Zusammenwirken mit dem Pegelsignal S festzulegen, das an das Gate des FETs 53 angelegt wird. Somit ist die Bezugsspannung VRO auf eine optimale Spannung in Übereinstimmung mit der Frequenz fN der pulsierenden Störkomponente, der Frequenz fA des Aufnehmerausgangssignals A der Spule 13 und dem Geschwindigkeitsbereich des zu steuernden Motors eingestellt.
Da der FET 53 mit einer relativ zur Drain-Spannung negativen Gate-Spannung arbeitet, darf das Pegelsignal S die Bezugsspannung VRO nicht überschreiten. Dazu wird die, eine obere Grenze des Pegelsignals S darstellende Klemmspannung als Bezugsspannung VRO durch passende Wahl der Widerstandswerte der Widerstände 44 und 45 der Gleichrichtungs-/Glättungsfilterschaltung 40 eingestellt.
Im allgemeinen ist der Spannungspegel der durch das Pegelsignal S dargestellten Aufnehmerausgangsspannung A proportional zur Motorumdrehungsgeschwindigkeit bzw. zur Anzahl der Umdrehungen pro Minute des Motors. Wenn also die Motorumdrehungsgeschwindigkeit auf "0" (Null) steht, nimmt auch das Pegelsignal S den Wert "0" an, mit der Folge, daß der FET 53 einen maximalen Widerstandswert RF annimmt.
Mit der Zunahme der Motorumdrehungsgeschwindigkeit wird das Pegelsignal S groß. Entsprechend wächst die Gate-Spannung des FETs 53 an (sie besitzt eine negative Polarität relativ zur Drain-Spannung VRO), was zu einer Abnahme der Differenz zwischen der Gate-Spannung und der Drain-Spannung führt und damit den Widerstandswert RF des FETs 53 verringert.
In diesem Zusammenhang sei bemerkt, daß die Grenzfrequenz f0 der Hochpaßfilterschaltung 50 durch folgende Gleichung bestimmt wird:
f0 = 1/2 π CR,
wobei CR die Impedanz der die Zeitkonstante bestimmenden Schaltung mit dem Kondensator 21 und dem Widerstand 52 ist. Aus dieser Gleichung geht hervor, daß die Grenzfrequenz f0 umso größer wird, je kleiner die Impedanz CR der die Zeitkonstante definierenden Schaltung wird. Wenn also der Widerstand RF des FETs 53 beim Ansteigen der Motorumdrehungsgeschwindigkeit abnimmt, nimmt auch der kombinierte Widerstand des Widerstandes 52 und des ihm parallel geschalteten FETs 53 entsprechend ab, wodurch die Grenzfrequenz f0 anwächst.
Andererseits ist festzustellen, daß, wenn die Motorumdrehungsgeschwindigkeit zunimmt, nicht nur das Pegelsignal F, sondern auch die Frequenz des eigentlichen Ausgagngssignals A und die Frequenz der pulsierenden Störkomponente zunehmen.
Fig. 6 stellt ein Diagramm zur Veranschaulichung der Änderung der Frequenz des Aufnehmerausgangssignals A in Abhängigkeit von der Anzahl der Umdrehungen pro Minute des Motors dar. In Fig. 6 stellen fN1 und fA1 jeweils die Frequenz der pulsierenden Störkomponente und die Frequenz des intrinsischen bzw. Aufnehmerausgangssignals A im unteren Bereich der Umdrehungsgeschwindigkeit des Motors pro Minute dar, während fN2 und fA2 jeweils die Frequenz der pulsierenden Störkomponente und des Ausgangssignals im oberen Bereich der Motorumdrehungszahl pro Minute darstellen. Weiter stellen f01 und f02 jeweils die Grenzfrequenzen des Hochpaßfilters 50 jeweils für den unteren und den oberen Bereich der Motorumdrehungszahl pro Minute dar.
Auf dieser Basis kann eine Grenzfrequenz f0, welche auf das Ausgangssignal A abgestimmt ist, durch optimales Einstellen der Zeitkonstanten des Hochpaßfilters 50 erzielt werden, und zwar unter Berücksichtigung des Umstandes, daß sich der Pegel des Ausgangssignals A proportional zur Motorumdrehungsgeschwindigkeit verändert. Es ist daher möglich, trotz der Veränderungen der Frequenz des Ausgangssignals A (vgl. die mit doppelten Punkten versehenen Kurven der Fig. 6) nur die pulsierende Störkomponente zu eliminieren.
Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, kann das Ausgangssignal A′ der Hochpaßfilterschaltung 50 die in Fig. 7 dargestellte ideale Wellenform erreichen, wodurch der Komparator 21 ein rechteckiges Wellenformsignal B liefern kann, das einen genauen bzw. stimmigen Impulsbetriebszyklus aufweist.
Weiter sei darauf hingewiesen, daß wegen der einstückigen Ausbildung der Formgebungsschaltung 20B und der elektromagnetischen Aufnehmervorrichtung 10A (vgl. Fig. 1), das in dem bekannten Gerät verwendete Tiefpaßfilter fortgelassen werden kann, wodurch der Pegel des Ausgangssignals A daran gehindert wird, im Bereich hoher Umdrehungsgeschwindigkeit des Motors kleiner zu werden.
Bei der obigen Beschreibung wurde davon ausgegangen, daß das Hochpaßfilter 50 mit der veränderlichen Grenzfrequenz aus einem Junktion-FET 53 mit N-Übergang besteht, bei dem das Pegelsignal S an die Gate-Elektrode angelegt wird. Das Hochpaßfilter 50 kann natürlich auch in Form einer anderen Schaltungskonfiguration aufgebaut werden, sofern die Bedingung erfüllt wird, daß sich die Grenzfrequenz f0 des Hochpaßfilters 50 in Abhängigkeit von der Motorumdrehungsgeschwindigkeit ändert. Beispielsweise kann eine Vielzahl von diskreten Ohm′schen Widerständen mit dem Widerstand 52 in Reihe geschaltet werden, wobei ein Schalter in Reihe oder parallel an jeden diskreten parallelen Widerstand angeschlossen wird. Durch nacheinander erfolgendes Schließen dieser Schalter als Antwort auf eine Zunahme der Motorumdrehungsgeschwindigkeit und somit des Pegelsignals S können die im wesentlichen gleichen vorteilhaften Wirkungen erzielt werden, die mit dem Hochpaßfilter unter Verwendung des Junktion-FETs mit N-Übergang erreicht werden.
Aus der obigen detaillierten Beschreibung bieten sich zahlreiche Merkmale und Vorteile der Erfindung an, die sämtlich durch die beigefügten Patentansprüche nach Idee und Umfang abgedeckt sind. Für Fachleute ergeben sich zahlreiche Abänderungen und Äquivalente, die in den Rahmen der Erfindung fallen, so daß die Erfindung nicht auf die oben dargestellte und beschriebene exakte Ausführung und Betriebsweise beschränkt ist.

Claims (4)

1. Gerät zur Erfassung der Winkelposition der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors, der folgende Komponenten aufweist:
eine Scheibe, die synchron mit der Umdrehung der Kurbelwelle drehbar ist;
eine Reihe von magnetischen Elementen, die auf der Scheibe entlang einer Umfangsperipherie der Scheibe in gleichen Umfangsabständen angeordnet sind;
eine elektromagnetische Aufnehmervorrichtung, die senkrecht zur Rotationsebene der Scheibe und gegenüber der Reihe der magnetischen Elemente angeordnet ist;
eine Formgebungsschaltung mit einem Komparator zur Umformung des Ausgangssignals der elektromagnetischen Aufnehmervorrichtung in ein rechteckiges Wellenformsignal; und
eine Motorsteuereinheit zur selektiven Identifizierung der Winkelposition der Kurbelwelle auf der Basis des rechteckigen Wellenformsignals; dadurch gekennzeichnet, daß die Formgebungsschaltung einstückig mit der elektromagnetischen Aufnehmervorrichtung ausgebildet ist und einen Integrator zum Integrieren des Ausgangssignals der elektromagnetischen Aufnehmervorrichtung aufweist, um dadurch ein Bezugssignal für den Komparator zu erzeugen.
2. Gerät zur Erfassung der Winkelposition der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors, der folgende Komponenten aufweist:
eine Scheibe, die synchron mit der Umdrehung der Kurbelwelle drehbar ist;
eine Reihe von magnetischen Elementen, die auf der Scheibe entlang einer Umfangsperipherie der Scheibe in gleichen Umfangsabständen angeordnet sind;
eine elektromagnetische Aufnehmervorrichtung, die senkrecht zur Rotationsebene der Scheibe und gegenüber der Reihe der magnetischen Elemente angeordnet ist;
eine Formgebungsschaltung mit einem Komparator zur Umformung des Ausgangssignals der elektromagnetischen Aufnehmervorrichtung in ein rechteckiges Wellenformsignal; und
eine Motorsteuereinheit zur selektiven Identifizierung der Winkelposition der Kurbelwelle auf Basis des rechteckigen Wellenformsignals; dadurch gekennzeichnet, daß die Formgebungsschaltung einstückig mit der elektromagnetischen Aufnehmervorrichtung ausgebildet ist und Gleichrichtungs-/Glättungsmittel zum Gleichrichten und Glätten des Ausgangssignals der magnetischen Aufnehmervorrichtung aufweist, um dadurch ein Pegelsignal zu erzeugen; und daß sie Hochpaßfiltermittel mit einer Grenzfrequenz aufweist, die in Abhängigkeit vom Pegelsignal veränderlich ist, wobei das Ausgangssignal der elektromagnetischen Aufnehmervorrichtung nach Durchlaufen der Hochpaßfiltermittel in den Komparator eingegeben wird.
3. Winkelpositionserfassungsgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochpaßfiltermittel einen Junktion-FET mit N-Übergang aufweist, der parallel an den Komparator an dessen Eingangsseite angeschlossen ist, wobei der FET eine Gate-Elektrode, an die das Pegelsignal angelegt ist, sowie eine Drain-Elektrode, an die das Ausgangssignal der elektromagnetischen Aufnehmervorrichtung über einen Kondensator angelegt ist, aufweist und wobei die Drain-Elektrode an einen Eingang des Komparators angeschlossen ist, an dessen anderen Eingang eine Bezugsspannung angelegt ist.
4. Winkelpositionserfassungsgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochpaßfiltermittel eine Vielzahl von Ohm′schen Widerständen aufweist, die untereinander parallel geschaltet und dann parallel an die Eingangsseite des Komparators angeschlossen sind, wobei die Ohm′schen Widerstände jeweils mit Schaltern versehen sind, derart, daß die Widerstände selektiv mit dem Komparator in Abhängigkeit von der Änderung des Pegelsignals verbunden werden, und zwar durch entsprechendes Ein- und Ausschalten der Schalter.
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