DE4210933A1 - Verfahren zur Auswertung der Ausgangssignale eines Drehzahlsensors - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Verfahren bzw. Vorrichtungen zur Auswertung der Ausgangssignale von Drehzahlsensoren sind insbesondere im Zusammenhang mit der Auswer­ tung von Drehzahlsensoren bei Kraftfahrzeugen bereits bekannt. Dabei ist beispielsweise auf der Welle, deren Drehzahl ermittelt werden soll, eine Scheibe befestigt, deren Oberfläche verschiedene Markie­ rungen aufweist. Diese Scheibe wird von einem Sensor abgetastet, dessen Ausgangssignal zu einer drehzahlabhängigen Impulsfolge ver­ arbeitet wird.

Aus dem Vergleich der zeitlichen Abstände der einzelnen Impulse läßt sich die Drehzahl bestimmen, falls die Scheibe neben einer An­ zahl gleichartiger auch noch eine unterscheidbare Marke aufweist, kann auch eine Bezugsmarke, die eine eindeutige Festlegung der Stellung der Welle ermöglicht, bestimmt werden.

Ein derartiges Verfahren, das eine Drehzahlmessung und eine Bezugs­ markenerkennung ermöglicht, ist beispielsweise aus der Druckschrift Electronique Applications, Dec. 1982 bis Jan. 1983 No. 27, Amsterdam, Nederland aus dem Artikel "Allumage e′lectronique et microprocesseur" bekannt. Die abzutastende Scheibe weist dabei neben einer Anzahl von Kerben mit gleichem Abstand zwischeneinander eine zusätzliche Kerbe mit kürzerem Abstand auf, die als Bezugsmarke dient.

Zur Erhöhung der Zuverlässigkeit der Bezugsmarkenerkennung wird bei diesem bekannten Verfahren eine Bezugsmarke dann erkannt, wenn sich der zeitliche Abstand zwischen zwei Impulsen in charakteristischer Weise vom vorhergehenden zeitlichen Abstand unterscheidet. Diese charakteristische Weise wird dabei derart gewählt, daß sie auch bei maximaler Beschleunigung eindeutig unterscheiden läßt.

Zur Abschätzung werden jeweils zwei aufeinanderfolgende Zeitabstände zueinander ins Verhältnis gesetzt, zum einen bei konstanter Drehzahl und zum anderen bei verschiedenen systembedingt maximal möglichen Beschleunigungen, wobei die geometrischen Anordnungen der Kerben bzw. der Bezugsmarke berücksichtigt wird.

Das bekannte Verfahren, das für eine Scheibe mit insgesamt acht Mar­ kierungen an ihrer Oberfläche vorgesehen ist, hat den Nachteil, daß es bei einer Scheibe mit wesentlich mehr Markierungen nicht mehr ohne weiteres anwendbar ist, da dort die Zeitverhältnisse ungünsti­ ger sind.

Ein weiterer Nachteil des bekannten Verfahrens besteht darin, daß bei einer Fehlfunktion des Sensors oder bei Auftreten von Störungen irrtümliche Bezugsmarkenerkennungen möglich sind, besonders nachtei­ lig ist, daß eine Sensorüberwachung überhaupt nicht vorgesehen ist.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Auswertung der Ausgangssignale eines Drehzahlsensors mit den kennzeichnenden Merkmalen des Haupt­ anspruchs hat gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Ver­ fahren den Vorteil, daß eine besonders zuverlässige Bezugsmarkener­ kennung möglich ist, auch bei einer großen Anzahl von Markierungen wie sie beispielsweise bei einer Inkrementscheibe vorliegt.

Ermöglicht wird dies beim erfindungsgemäßen Verfahren, indem jeweils aus zwei Zeitabständen ein Quotient gebildet wird und mit einem Grenzwert verglichen wird, wobei aus diesem Vergleich dann eine Be­ zugsmarkenerkennung möglich ist, wenn der Quotient sich vom Grenz­ wert in vorgegebener Weise unterscheidet.

Da der Quotient immer so gebildet wird, daß der gleiche, vorteil­ hafterweise der größere Zeitabstand im Zähler und der kleinere im Nenner steht, reicht ein Grenzwert aus um eine eindeutige Bezugs­ markenerkennung zu erhalten.

Besonders vorteilhaft ist, daß beim erfindungsgemäßen Verfahren eine Drehzahlgeberüberwachung auf statische und dynamische Plausibilität sowie auf Totalausfall möglich ist, indem die ohnehin gebildeten Quotienten aus jeweils zwei Zeitabständen mit weiteren Grenzwerten verglichen werden, deren Über- oder Unterschreiten die Fehlererken­ nung ermöglichen.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge­ stellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 eine, vom äußeren Aufbau her bereits beispiels­ weise aus der DE-OS 34 23 664 bekannte Einrichtung zur Drehzahler­ fassung, mit der auch die vorliegende Erfindung realisiert werden kann, in Fig. 1a ist der zugehörige Signalverlauf angegeben. In Fig. 2 ist die erfindungsgemäße Signalverarbeitungseinrichtung als Blockschaltbild dargestellt und in Fig. 3 ist ein erweitertes Blockschaltbild zur Signalanalyse dargestellt.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist eine Einrichtung, die für die Durchführung des er­ findungsgemäßen Verfahrens geeignet ist, aufgezeigt. Dabei ist eine Inkrementscheibe 10, die eine Vielzahl von gleichen Marken 11 an ihrer Oberfläche aufweist, auf einer Welle 12 befestigt, deren Dreh­ zahl bestimmt werden soll. Diese Welle kann beispielsweise die Nockenwelle oder die Kurbelwelle einer nicht dargestellten Brenn­ kraftmaschine sein.

Die Marken 11 der Inkrementscheibe 10 sind alle im gleichen Abstand angeordnet, falls die Welle 12 die Nockenwelle ist, ist pro Zylinder der Brennkraftmaschine eine Bezugsmarke vorgesehen, die beim Aus­ führungsbeispiel als fehlende Marke ausgebildet ist und im folgenden als Synchronlücke 13a, 13b bezeichnet wird.

Die Ausgestaltung der Inkrementscheibe 10 ist im übrigen so, daß die Länge der Marken und die Länge der Zwischenräume gleich sind, auf den Winkel (Nockenwellenwinkel) bezogen ist ein Inkrement, also der Winkel zwischen zwei aufeinanderfolgenden Marken 11 gleich 3° NW.

Die Synchronlücken weisen zwischen zwei Rückflanken der Marken einen Abstand von 12° NW auf. Der Winkel zwischen zwei Synchronlücken wird als Segment bezeichnet, er beträgt beim dargestellten Beispiel mit zwei Synchronmarken 180° NW.

Die Inkrementscheibe 10, die beispielsweise in Pfeilrichtung ro­ tiert, wird vom Drehzahlsensor 14, beispielsweise einem Induktiv­ sensor, abgetastet, der drehzahlabhängige Ausgangssignale liefert, die in der Pulsformerstufe 15 in bekannter Weise zu Rechteckimpulsen geformt werden, die wiederum in der Recheneinrichtung 16 ausgewertet werden.

Die auszuwertende Pulsfolge U15 ist in der Fig. 1a über der Zeit t aufgetragen. Die auszuwertenden Zeitintervalle laufen jeweils von einer Rückflanke der Pulsfolge U15 bis zur nächsten Rückflanke, mit den Rückflanken werden Interruptsignale INT ausgelöst.

Mit der in Fig. 1a gewählten Darstellung, die für eine konstante Drehzahl gilt, sind die Zeiten t1 und t3 jeweils gleich lang, die Zeit t2, die während des Vorbeilaufens der Bezugsmarke am Drehzahl­ sensor 14 verstreicht, ist wesentlich länger, im in Fig. 1a darge­ stellten Beispiel doppelt so lang. Bei zwei fehlenden Marken wäre die Zeit viermal so lang.

In Fig. 2 bezeichnet der Block 17, der Bestandteil der Rechenein­ richtung 16 ist, einen Bereich, in dem die Vorverarbeitung und Über­ wachung des Drehzahlsensors 14 stattfindet. Dabei wird das Signal des Drehzahlsensors 14 über einen Eingang 18 zugeführt, über den­ selben Eingang gelangen die Interrupt-Signale INT zum Block 17.

Am Ausgang 19 des Blocks 17 wird die Durchlaufzeit t_m für ein In­ krement bereitgestellt, die im Block 20 als Drehzahlbasis, bei­ spielsweise für die Winkelextrapolation dient und im Block 21 als Drehzahlbasis für die Pumpenkennfeldberechnung verwendet wird, dabei wird im Block 21 eine über eine Segmentlänge gemittelte Drehzahl er­ mittelt. Am Ausgang des Blocks 20 entstehen damit Signale t_j und am Ausgang des Blocks 21 Drehzahlsignale n_NW. Die obengenannten Ausführungen beziehen sich dabei auf bekannte EDC-Systeme.

Ein weiterer Ausgang 22 des Blocks 17 führt auf einen Inkrement­ zähler 23, am Ausgang 24 wird der erkannte Status des Drehzahlsensors bereitgestellt.

Vom Ausgang 25 des Blocks 17 führt eine Verbindung zu einem UND-Block 26, dem außerdem noch die Interrupt-Signale zugeführt werden. Durch die UND-Verknüpfung entstehen am Ausgang des UND-Blocks 26 die Synchronimpulse, wenn 12 die Nockenwelle ist, NW-Synchronimpulse.

Fig. 3 zeigt ein ausführlicheres Blockschaltbild zur Signalverar­ beitung. Bei dieser Anordnung die Bestandteil einer nicht darge­ stellten Recheneinrichtung ist, wird das Drehzahlsensorsignal einer ersten Auswerteschaltung 27 zugeführt, an deren Ausgang die weiter­ zuverarbeitende Impulsfolge entsteht. Diese Impulsfolge gelangt zu einem Zähler 28, dessen Ausgang mit einem Block 29 zur Bestimmung der Momentandrehzahl verbunden ist, außerdem mit einem Block 30, in dem die mittlere Drehzahl n_NW gebildet wird sowie mit einem Block 31, in dem eine Überwachung auf Maximalzeit erfolgt und mit einem weiteren Block 32, in dem eine dynamische Plausibilitätsüberprüfung erfolgt.

Im Block 33 findet eine Defekterkennung statt, die am Ausgang 34 zu einem Fehlerstatus führt. Weitere Blöcke sind 35, der als Inkrement­ zähler arbeitet, 36 in dem eine statische Plausibilitätsüberprüfung erfolgt und 37, in dem die Synchronisationsimpulse erzeugt werden, dabei werden dem Block 37 noch Signale von einem Schwellwertschalter 38 zugeführt.

Beschreibung der Signalverarbeitung

In der Recheneinrichtung 16 werden aus der Impulsfolge U15 bzw. den zugehörigen Interrupt-Impulsen INT die für die weitere Auswertung erforderlichen Zeitintervalle gebildet, die im folgenden als Inkre­ ment-Durchlaufzeiten tm1 bis tmn bezeichnet werden. Aus jedem dieser Zeitintervalle kann eine Momentandrehzahl bestimmt werden. Die Be­ stimmung der Momentandrehzahl ist in den Blöcken 20 bzw. 29 ange­ deutet und erfolgt in bekannter Weise.

Die mittlere Drehzahl der Nockenwelle wird erhalten, indem die In­ krementdurchlaufzeiten, die zu einem Segment gehören, zusammenge­ zählt werden und aus dieser Summe die mittlere Drehzahl ermittelt wird. Die Mittelung erfolgt wie bereits erwähnt über ein Segment. Das Ende des Segmentes wird erkannt, wenn der die Inkremente zählen­ de Inkrementzähler 23 auf eine der Segmentlänge entsprechende Zahl gezählt hat.

Zur Erkennung der Bezugsmarke bzw. zur Lückenerkennung und zur dyna­ mischen Plausibilitätsüberprüfung wird im Block 17 bzw. im Block 27 der Quotient der beiden letzten aufeinanderfolgenden Inkrementdurch­ laufzeiten gebildet, wobei immer die größere Inkrementdurchlaufzeit t_mg im Zähler und die kleinere Inkrementdurchlaufzeit t_mk im Nenner steht. Es gilt dann:

t_r,j =t_mg/t_mk.

Die so ermittelten Quotienten t_r,j werden mit vorher ermittelten Schwellwerten verglichen, womit sich je nach Schwellwert bzw. Ver­ gleichsergebnis eine Aussage bezüglich der Lückenerkennung oder der Plausibilität ableiten läßt. Wesentlich ist, daß immer die gleich­ artigen Zeiten an derselben Stelle der obigen Gleichung stehen.

Die Vergleiche laufen in der Recheneinrichtung 16 bzw. in einem der Blöcke 31, 32, 37 ab, die Schwellwerte S1, S2, S3 und gegebenenfalls weitere werden in der Recheneinrichtung 16 abgespeichert oder werden in einem Schwellwertschalter 38 gebildet und von dort der Rechenein­ richtung 16 zugeführt.

Der Quotient wird so festgelegt, daß dadurch für die weitere Auswer­ tung die Zahl der Schwellwerte verringert wird. Die Schwellwerte sind im übrigen so festgelegt, daß auch maximale Nockenwellenbe­ schleunigungen unter diese Schwellwerte fallen, ihre Ermittlung wird später ausführlich beschrieben.

Den Zusammenhang zwischen den Wert des Quotienten t_r,j und der möglichen Erkennung verdeutlicht Tabelle 1.

Dabei sind S1, S2 und S3 Schwellwerte, t_r,j ist der Quotient aus zwei Durchlaufszeiten, wobei die Durchlaufszeiten entweder Inkre­ ment-Durchlaufszeiten oder die Durchlaufszeit einer Lücke ist.

Wie Tabelle 1 verdeutlicht, lassen sich mit Hilfe der angeführten fünf verschiedenen Möglichkeiten für den Quotienten Programmfehler erkennen, ein Übergang von Inkrement zu Inkrement, nicht plausible Zustände sowie der Übergang von Lücke zu Inkrement bzw. Inkrement zur Lücke.

Als typische Werte für die Schwellwerte S1, S2 und S3 sind die in Tabelle 2 aufgelisteten Werte einzusetzen.

Die Festlegung der Schwellwerte wird so gewählt, daß maximal mög­ liche Nockenwellenbeschleunigungen nicht zu Fehlerkennungen führen können, dabei sind folgende Voraussetzungen für die Beschleunigung der Nockenwelle zu berücksichtigen:

Für die Abfolge Lücke-Inkrement bzw. Inkrement-Lücke wird eine Be­ schleunigung von b = ±15 000 min^-1 s^-1 angenommen, dies ent­ spricht der Überlagerung der größten mittleren Motorbeschleunigung und der Drehungleichförmigkeit an der Nockenwelle.

Die Abfolge Inkrement-Inkrement wird experimentiell ausgewertet, es ergaben sich bei einzelnen Messungen folgende Werte:

Für Nockenwellendrehzahlen kleiner als 400^-1 wird mit einer Beschleunigung von b = 160 000 min^-1 s^-1 gerechnet, es ergibt sich dann für b<0 als Grenzwert t_r,j≈2,4. Dies entspricht einem Motorstillstand nach 60 Nockenwellenwinkel.

Wird bei der Auswertung erkannt, daß eine Inkrementdurchlaufszeit dynamisch nicht plausibel ist, so werden zwei Fälle unterschieden:

• 1. Wurde nach einer Lückenerkennung oder nach einem Totalausfall des Nockenwellendrehzahlsensors noch kein statisch plausibles Segment erkannt, wird nur der Status "dynamisch nicht plausi­ bel" gesetzt und die Inkrement-Durchlaufzeit für das nächste Inkrement bei Null gestartet. Damit wird vermieden, daß nach einem dynamisch nicht plausiblen Inkrement bzw. nach einer dynamisch nicht plausiblen Inkrementdurchlaufzeit bei dem t_r,j<t_r,max ist (dies tritt vor allem beim ersten oder zweiten erfaßten Inkrement auf), die Inkrement-Durchlaufzeit bis zum Zählerüberlauf weiterläuft. In diesem Fall wäre bei weiter laufender Inkrementdurchlaufzeit erst nach dem Zähler­ überlauf die Möglichkeit gegeben, daß t_r,j im dynamisch plausiblen Bereich liegt.
• 2. Wurde mindestens einmal ein statisch plausibles Segment er­ kannt, so wird der Status "dynamisch nicht plausibel" gesetzt und die Inkrementdurchlaufzeit bis zum nächsten dynamisch plau­ siblen Inkrement weitergezählt. Dies geschieht auch dann, wenn der Nockenwellendrehzahlsensor vorläufig oder endgültig als Defekt erkannt wurde. Mit dieser Maßnahme lassen sich Störim­ pulse weitgehend ausblenden.

Nach der Initialisierung des µC (Reset beim Einschalten) wird eine Inkrementdurchlaufzeit so gewählt, daß für das erste erfaßte Inkrement Durchlaufzeiten in einem größeren Bereich plausibel sind, wodurch ein dynamischer Fehler beim ersten Inkrement weitgehend ver­ mieden wird.

Eine weitere Plausibilitätsuntersuchung erfolgt mit Hilfe eines In­ krementzählers und einer statischen Plausibilität. Dabei wird bei jeder erkannten Bezugsmarke bzw. Synchronlücke 13, 13b ein Inkre­ mentzähler 23, 35 auf Null gesetzt. Bei jedem dynamisch plausiblen Drehzahlimpuls wird dieser Inkrementzähler um eins erhöht, dabei findet die Überwachung auf statische Plausibilität auch statt, wenn die Synchronlücke nicht erkannt ist.

Die statische Plausibilitätserkennung erfolgt durch Beobachtung des Inkrementzählers 23, 35 in Verbindung mit der Impulserkennung aus der dynamischen Plausibilität, Tabelle 4 verdeutlicht die Zusammen­ hänge.

Dabei bedeuten:
t_m,j-1 letzte Inkrement-Durchlaufzeit
t_m,j: aktuelle Inkrement-Durchlaufzeit
J Inkrementzähler J_max Anzahl der Inkremente zwischen zwei Syn­ chronlücken.

Wird das erfindungsgemäße Verfahren bei einer bereits bekannten EDC eingesetzt, erfolgt die erste Einspritzung erst nach dem ersten sta­ tisch plausiblen Segment. Solange kein statisch plausibles Segment erkannt wird, ist es nicht möglich, die Nockenwellendrehzahl n_NW als Mittelwert über ein Segment zu bestimmen, so daß weitere Auswer­ tungen, beispielsweise die Berechnung eines Pumpenkennfeldes nicht sinnvoll ist.

Eine weitere Überwachung findet statt, indem geprüft wird, ob inner­ halb der Maximalzeit von 120 Millisekunden mindestens ein Drehzahl­ impuls aufgetreten ist. Dabei wird die Maximalzeit als Vielfaches von 10 Millisekunden definiert, so daß eine Unsicherheit von 10 Mil­ lisekunden in der Überwachungszeit entsteht.

Alle Überwachungen, die in Block 32 durchgeführte Überwachung auf dynamische Plausibilität, die in Block 36 durchgeführte Überwachung auf statische Plausibilität und die in Block 31 durchgeführte Über­ wachung auf Maximalzeit lösen im Block 33 eine Defekterkennung aus, die am Ausgang 34 für den Fall, daß ein Fehler vorliegt, zu einer Fehleranzeige führt.

Claims (8)

1. Verfahren zur Auswertung der Ausgangssignale eines Drehzahlsen­ sors, der ein rotierendes Element mit einer Anzahl gleichartiger Markierungen und wenigstens einer unterscheidbaren Markierung, ab­ tastet und ein Ausgangssignal liefert, aus dem eine drehzahlabhan­ gige Impulsfolge gebildet wird, wobei in einer Recheneinrichtung die Zeitabstände zwischen den Impulsen oder zwischen gleichartigen Flan­ ken der Impulse ermittelt werden und jeweils der Quotient von zwei Zeitabständen gebildet wird und Vergleiche ablaufen zur Erkennung der unterscheidbaren Markierung, dadurch gekennzeichnet, daß der Quotient (t_r,j) so gebildet wird, daß immer der gleiche, vorzugs­ weise der größere Zeitabstand (t_mg) im Zähler und der kleinere (t_mk) im Nenner steht und der Quotient mit wenigstens einem Schwellwert (S1) verglichen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das rotie­ rende Element eine mit einer rotierenden Welle einer BKM, vorzugsweise der Nockenwelle (12) verbundene Inkrementscheibe (10) ist und die wenigstens eine unterscheidbare Markierung (13a, 13b) eine Synchronlücke ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Zeitabständen die Drehzahl bestimmt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Quotient von zwei Zeitabständen mit weiteren Schwellwerten (S2, S3, . . . ) verglichen wird und mittels der Ver­ gleichsergebnisse eine Fehlererkennung und Fehlerreaktion durchge­ führt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine sta­ tische Fehlererkennung und Fehlerreaktion und/oder eine dynamische Fehlererkennung und Fehlerreaktion durchgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schwellwerte (S1, S2, S3) unter Be­ rücksichtigung der maximal möglichen Drehzahländerungen festgelegt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhän­ gigkeit von einer Synchronlücke ein Zähler (28) gestartet wird, der mit jedem Inkrement um eins erhöht wird und bei Erreichen eines Zählerstandes, der höher ist als die Anzahl der Inkremente (11) zwischen zwei Synchronlücken (13, 13b) und beim Erkennen jeder Synchronlücke zurückgesetzt wird und weitere Fehlererkennungen und Fehlerreaktionen in Abhängigkeit vom Zählerstand erfolgen.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Fehler dann erkannt wird, wenn der Zählerstand höher ist als die Anzahl der Inkremente (11) zwischen zwei Synchronlücken (13, 13b).