EP1756412A1 - Kurbelwellensynchrone erfassung analoger signale - Google Patents

Kurbelwellensynchrone erfassung analoger signale

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EP1756412A1
EP1756412A1 EP05754119A EP05754119A EP1756412A1 EP 1756412 A1 EP1756412 A1 EP 1756412A1 EP 05754119 A EP05754119 A EP 05754119A EP 05754119 A EP05754119 A EP 05754119A EP 1756412 A1 EP1756412 A1 EP 1756412A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
signal
analog
trigger signal
crankshaft
control device
Prior art date
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Granted
Application number
EP05754119A
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English (en)
French (fr)
Other versions
EP1756412B1 (de
Inventor
Josef Aspelmayr
Diego Löbus
Richard Merl
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Continental Automotive GmbH
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP1756412A1 publication Critical patent/EP1756412A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1756412B1 publication Critical patent/EP1756412B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/24—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents characterised by the use of digital means
    • F02D41/26—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents characterised by the use of digital means using computer, e.g. microprocessor
    • F02D41/263—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents characterised by the use of digital means using computer, e.g. microprocessor the program execution being modifiable by physical parameters
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/009—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents using means for generating position or synchronisation signals

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for recording analog signals, in particular analog sensor signals, which are related to an angle signal, in particular the angle signal of a crankshaft in internal combustion engines.
  • Devices and methods of this type are used primarily for recording analog measured values in engine control units (Engine Control Units, ECus).
  • ECU engine control unit
  • AD converters analog-digital converters
  • filter modules electronic filter modules
  • the engine control unit uses the numerous sensor signals (for example with the aid of tables, so-called look-up tables) to calculate the corresponding control signals and setting parameters, such as, for example, the optimal timing of an ignition or the optimal duration of a fuel injection.
  • analog measured values for example the measured values from pressure, temperature or oxygen sensors
  • the time synchronization of the measurement plays a significant role.
  • Simple computer systems also contain internal clock systems (clock), which can basically be used for the time acquisition and synchronization of the measurement value acquisition.
  • clock internal clock systems
  • the measured values typically have to be recorded in relation to a defined operating state of the engine.
  • the crankshaft's angular position has established itself as an indicator of the operating state of an engine.
  • the angular position of the crankshaft exactly defines the position of the pistons in each individual cylinder.
  • a complete cycle of a typical four-cylinder internal combustion engine comprises two complete revolutions of the crankshaft, i.e. angles from 0 ° to 720 °. After two revolutions (720 °), each cylinder of the engine has completed its cycle once.
  • the cylinders work sequentially, which means that each cylinder only works within a certain section within a complete cycle.
  • Such a time period is also referred to as a segment.
  • Each segment corresponds to a range of the angular position of the crankshaft, which results from the entire angular range (for example 720 °) divided by the number of cylinders.
  • a segment of a four-cylinder internal combustion engine has an angular range of 180 °. The first segment corresponds to angular positions from 0 ° to 180 °, the second angular positions from 180 ° to 360 ° etc.
  • the angular position of the crankshaft is typically detected by means of a so-called encoder disk on the crankshaft.
  • This encoder disk is usually a metallic toothed disk, the rotation of which is usually detected by means of an inductive sensor.
  • Typical encoder disks for four-cylinder engines for example, have 60 teeth (or 58 after deducting the two "tooth gaps"), which corresponds to a number of 120 teeth for a complete cycle of 720 °, ie one tooth per 6 ° angular position.
  • the magnetic field in the coil changes, as a result of which a current is induced in the coil.
  • the frequency of this time-varying current is a measure of the speed of the crankshaft.
  • Other types of sensors such as optical or magnetic sensors, can also be used in principle.
  • gaps are usually built into the teeth of the encoder disk, the gaps typically comprising two teeth. In this way, the position of the crankshaft and thus an important parameter of the operating state of the internal combustion engine can be exactly determined on the basis of the signal.
  • the angular position of the crankshaft or the speed is synchronized in conventional engine control units at regular intervals with the internal clock of the engine control unit.
  • the detection of sensor signals and the calculation or generation of corresponding parameters and control signals based thereon takes place as a function of the internal clock of the engine control unit.
  • the angular position of the crankshaft must first be recorded at a specific engine speed and synchronized with the internal clock of the engine control unit. Then, measurement data of the various sensors are recorded relative to the internal clock of the engine control device. This measurement data acquisition has hitherto usually been carried out at a fixed sampling rate, with sampling rates between 5 and 10 microseconds being typical. For example, a new analog value of a specific sensor signal is recorded every 10 microseconds.
  • Optimal control signals are then calculated from these measurement data, which, however, have to be output, for example, in precisely defined angular positions of the crankshaft (for example calculated by the engine control unit).
  • the optimal times in the time base of the engine control device must be calculated and then in turn converted into corresponding angular positions.
  • This complex calculation and generation of control signals places an extreme strain on the microprocessor of the ECU, which typically only has a clock frequency of 40 MHz and a memory capacity of 256 kilobytes.
  • the object of the invention is therefore to specify a method and a device by means of which the acquisition and processing of analog measurement data in engine control devices is improved. This object is achieved by the invention with the features of the independent claims. Advantageous developments of the invention are characterized in the subclaims.
  • An engine control device which has means for detecting an angular position of a crankshaft, and means for converting the angular position of the crankshaft into an electronic trigger signal. Furthermore, the engine control device should have means for detecting at least one analog signal, in particular an analog sensor signal, including at least one signal input for analog signals, at least one analog-digital converter for converting the at least one analog signal into at least one digital signal and at least one control device , Depending on the electronic trigger signal, this control device should be able to switch the detection of the at least one analog signal on or off and / or to start or stop it.
  • capture is to be interpreted broadly. For example, I can measure, store (sample), convert analog-to-digital, save or a combination of these processes (possibly with further modifications of the signals). Alternatively, a permanent analog-to-digital conversion can also take place, with only the storage of the converted data being understood as “recording”. Accordingly, “means for detection” can be understood to mean, for example, a corresponding sensor, an analog-to-digital converter, a corresponding signal conversion or intermediate storage, or even only a part of these devices.
  • the control device can be, for example, a trigger input, which in particular has means for generating a trigger signal, e.g. B. a trigger converter can interact.
  • An engine control device is to be understood as a system for controlling an internal combustion engine. This does not necessarily have to be a physical and / or electronic unit, but in particular it can also be a combination of interacting, but spatially separated components.
  • the means for converting the angular position of the crankshaft into an electronic trigger signal and the means for detecting the at least one analog signal can be wholly or partly integrated in an integrated electronic circuit, in particular a so-called application-specific integrated circuit (ASIC).
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • the digital electronic trigger signal can in particular be a periodic, for example rectangular, signal, for example a TTL signal.
  • a period of this signal can correspond to a period on the encoder disk, that is to say the distance between two teeth on the encoder disk (see above) or the resulting angular rotation of the crankshaft.
  • one period corresponds to an angular rotation of the crankshaft of 6 °.
  • an absolute angular position of the crankshaft can also be inferred from the corresponding gaps in the trigger signal.
  • the trigger signal can also be modified accordingly.
  • An adjustment of the signal level, frequency filtering, frequency multiplication and / or a phase shift has proven to be particularly advantageous.
  • Frequency filtering may be necessary, for example, in order to eliminate higher-frequency or low-frequency interference signals (vibrations, harmonics, etc.).
  • Under frequency multiplication is a modification of a periodic one
  • a multiplier which is typically a rational number, in particular a natural number between 0 and 1 or greater than 1).
  • the conversion of the trigger signal into a new trigger signal by means of a predetermined function is also conceivable.
  • a predetermined number for example, a predetermined by a computer program
  • a trigger signal can be generated, which assumes the value "high” only in very specific angular positions of the crankshaft.
  • the signal "high” can be output for a predetermined period of time.
  • the modification of the trigger signal can be adapted to the speed of the crankshaft.
  • a frequency multiplication of a trigger signal periodic with a frequency F can take place in such a way that the frequency F of the new trigger signal increases less than proportionally with the rotational speed D.
  • the quotient of frequency F and speed D decreases with increasing speed.
  • This sinking does not have to take place continuously, but can also take place, for example, in discrete steps. If the acquisition of analog measurement data is controlled with this new trigger signal (see below), this targeted adaptation of the frequency multiplication can be used to ensure that the storage and / or computing capacity of the engine control unit is constantly loaded per unit of time over the entire speed range.
  • the trigger signal can be adapted to the speed while the engine control unit is running.
  • the conversion of the angular position of the crankshaft into a corresponding trigger signal according to one of the described Driving can in particular also be purely hardware-based, that is to say take place in separate electronic modules without the use of computing algorithms.
  • the use of a microprocessor or an additional load on the processor capacity of an existing processor (see below) through the formation of the trigger signal is thereby avoided.
  • the at least one analog signal can in particular be an analog signal from a sensor, for example an oxygen, temperature or pressure sensor, and it is also possible to detect a plurality of analog signals, in particular the signals from a plurality of sensors.
  • a sensor for example an oxygen, temperature or pressure sensor
  • the use of one or more switches, which can switch the detection between the individual analog signals is particularly suitable.
  • the signals of a plurality of sensors can be recorded in succession or alternatively or in parallel.
  • the switchover between the detection of the individual signals can be controlled in particular by a microcomputer, so that the analog signals of predetermined sensors are detected at predetermined times.
  • the switchover can also be controlled by the electronic trigger signal (which can also consist of several correlated individual signals).
  • the means for detecting the at least one analog signal can also have a device for data processing (in particular a microprocessor) and means for adapting or changing the analog signals, in particular means for frequency filtering.
  • a device for data processing in particular a microprocessor
  • the microcomputer can be the computing unit (for example a CPU with a memory) of a commercial integrated circuit for motor control.
  • the control device can in particular be a trigger input of the analog-digital converter or else act as a trigger input of the device for data processing.
  • This trigger input is connected to the means for converting the angular position of the crankshaft into an electronic trigger signal.
  • This does not necessarily have to be a physical electronic connection, but also, for example, a wireless connection (e.g. infrared data transmission) is conceivable.
  • the trigger signal described above, generated from the angular position of the crankshaft, or a trigger signal derived therefrom is used for controlling the detection of the analog signals.
  • the digitized signals can then be processed further by means of the data processing device.
  • appropriate control signals for the engine control can be generated and output from a large number of sensor signals with the aid of stored functions and parameters.
  • the engine control device described with the crankshaft-synchronously triggered data acquisition has, compared to the conventional engine control devices described above with a constant or predetermined sampling rate, the decisive advantage that the detection of the at least one analog signal does not take place at predetermined times with fixed predetermined repetition rates (sampling rates). Excessive load on the computing and storage capacity of the engine control unit, especially at low speeds. is prevented. Rather, the analog signals are recorded as a function of the actual angular position of the crankshaft and thus the actual operating state of the internal combustion engine.
  • certain sensor signals can only be at the times that are actually interesting (for example, only in segment 2 in which the second cylinder operates, e.g. in the angular range of the crankshaft between 180 ° and 360 °) are recorded.
  • Uninteresting data i.e. analog signals in angular positions of the crankshaft, which are of no interest with regard to, for example, a specific sensor, are therefore not recorded in the first place, as a result of which the memory and processor load is greatly reduced.
  • a processor capacity and memory-intensive conversion of the angular position of the crankshaft or the speed into an internal time system of the engine control device can be omitted. Only hardware is required to generate the trigger signals, no software effort. The processor is thus relieved. There is also no constant high load at low speeds.
  • the accuracy of the system is also significantly increased by the measurement data acquisition synchronized with the crankshaft.
  • the acquisition of the measurement data can take place at predefined angular positions, which is considerably more precise than a time-controlled acquisition with subsequent interpolation that may be required.
  • the sampling rate can also be adjusted, as described above, or the measurement data can be reduced with increasing speed by appropriately adapting the trigger signal to the speed. In this way, a uniform amount of data and processor load can be achieved over the entire speed range.
  • preprocessing of the raw data can also take place in the analog-digital converter, which converts the analog signals from, for example, one or more sensors into digital signals.
  • Such preprocessing can in particular be a frequency filter Include and / or a statistical analysis of the analog or already digitized data. For example, the data can already be averaged over a certain period of time or over a certain number of measured values. This preprocessing considerably reduces the amount of data that is transmitted from the analog-digital converter to the microprocessor, for example.
  • crankshaft-synchronous triggering of the acquisition of the analog data according to one of the methods described above again represents an essential advantage in the preprocessing of the recorded data Contains crankshaft, for example, the analog or digital signal can be averaged directly over a certain angular range of the crankshaft. It is no longer necessary to convert the angular positions into temporal signals.
  • Speed-dependent preprocessing of the data is also conceivable, for example by shifting the time or angular position range over which an analog or digital signal is averaged depending on the speed.
  • the timing of the ignition can depend heavily on the engine speed. It may be of interest to record, for example, the pressure in a specific cylinder, averaged in a specific angular range, relative to the ignition time.
  • a predefined approximation function can also be adapted to the recorded data, for example. Accordingly, instead of the data, for example, only the sewing seam will then become tion function or the parameters characterizing the approximation function from the analog-digital converter to the device for data processing.
  • the information about the angular position or the rotational speed of the crankshaft can also play a role here, for example as one of the parameters of the approximation function.
  • This type of preprocessing of the signals also contributes significantly to the reduction of the required processor and memory capacity.
  • Another advantage of the motor control device described is the fact that the device can be implemented with existing microprocessors and electronic components. Both microprocessors with trigger input for motor control devices and analog-digital converters with trigger input are commercially available. An expensive and complex new development of such components is not necessary.
  • a method for crankshaft-synchronous detection of analog signals, in particular analog sensor signals, is also proposed, in which the angular position of a crankshaft is first detected.
  • the detected angular position of the crankshaft is converted into at least one electronic trigger signal.
  • at least one analog signal, in particular an analog sensor signal is recorded.
  • the at least one analog signal is converted into at least one digital signal.
  • the acquisition and / or the analog-digital conversion of the at least one analog signal is controlled by means of the trigger signal.
  • the acquisition and / or analog-digital conversion of the at least one analog signal is advantageously controlled using one of the following principles or a combination of these principles: -
  • the detection and / or the analog-digital conversion is triggered in that the trigger signal reaches, exceeds or falls below a predetermined level.
  • the detection and / or the analog-digital conversion is made possible as long as the trigger signal at least reaches and / or exceeds a predetermined signal level, otherwise the detection and / or analog-digital conversion is prevented.
  • the detection and / or the analog-digital conversion is made possible as long as the trigger signal falls below and / or does not exceed a predetermined signal level, otherwise the detection and / or analog-digital conversion is prevented.
  • the detection and / or the analog-digital conversion is made possible with a periodic trigger signal for a predetermined number of periods and is otherwise prevented.
  • the detection and / or the analog-to-digital conversion is made possible and otherwise prevented from a predetermined trigger signal, in particular from a point in time at which the trigger signal reaches, exceeds or falls below a predetermined level.
  • the level of the at least one analog signal can also be changed and / or frequency filtering of the at least one analog signal can be carried out.
  • at least one control signal for controlling an internal combustion engine can be calculated from the at least one digital signal by means of a data processing algorithm.
  • the at least one electronic trigger signal can be frequency multiplied by a predetermined multiplier and / or be phase shifted by a predetermined phase and / or at least one second electronic trigger signal from the at least one electronic trigger signal Trigger signal are generated, wherein the second electronic trigger signal is a function with variable parameters of the first electronic trigger signal.
  • the generation of the at least one electronic trigger signal can be dependent on the speed of the crankshaft. If the electronic trigger signal is periodic with a frequency F or is approximately periodic or is at least approximately periodic within a period of time considered, the frequency F is multiplied as the speed increases such that the ratio between the frequency F and the speed is advantageous D decreases with increasing speed D.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of an engine control device with a microcomputer triggered by crankshaft synchronism for measurement data acquisition;
  • FIG. 4 shows a flow chart of a first exemplary embodiment of a method for crankshaft-synchronous measurement data acquisition
  • FIG. 5 shows a flowchart of a second exemplary embodiment of a method for crankshaft-synchronous measurement data acquisition
  • FIG. 6 shows a second embodiment of an engine control device with an external AD converter triggered by crankshaft synchronism for measurement data acquisition.
  • the core element of the motor control device 110 in FIG. 1 is an integrated circuit (ASIC) 112, which comprises a trigger converter 114 and a fast AD converter (FADC) 116.
  • ASIC 112 is a controller of the TC17xx family from the manufacturer Infineon.
  • a signal output 118 of the trigger converter 114 is connected to a trigger input 120 of the FADC 116.
  • a crankshaft sensor 122 is connected via a crankshaft AD converter 124 to a signal input 126 of the trigger converter 114.
  • a temperature sensor 128 is connected via a filter amplifier unit 130 to a signal input 132 of the FADC 116.
  • crankshaft signal 134 exchanged between crankshaft AD converter 124 and trigger converter 112 is shown in FIG. 2.
  • the trigger signal 136 exchanged between the trigger converter 112 and the FADC 116 is shown in FIG. 3.
  • the crankshaft sensor 122 detects a signal from the crankshaft, which in this example is an analog sine signal (not shown) from a magnetic sensor which detects the position of the teeth of the toothed disk described above.
  • This analog sine signal is converted in the crankshaft AD converter 124 into the crankshaft signal 134 shown in FIG. 2.
  • This is a square-wave signal, which is at the "Low” level (here the zero line) for a period of time t1 to t2, and then at the "High” TTL level (5 volts) for a period of time from t2 to t3.
  • the signal therefore has a period t3-tl and a frequency of l / (t3-tl).
  • the crankshaft signal 134 is frequency multiplied in the trigger converter 114 by a factor of nine. Accordingly, the trigger converter 114 generates a square wave signal with the frequency 9x1 / (t3-tl) from the crankshaft signal 134 as the trigger signal 136. In this example, the signal levels are left unchanged.
  • the trigger converter 114 starts the conversion in each case at the time t1, that is to say with a falling edge of the crankshaft signal 134, and generates a rising edge of the trigger signal 136. Accordingly, the trigger signal 136 is phase-shifted by 180 ° compared to the crankshaft signal 134.
  • This trigger signal 136 is forwarded to the FADC 116 via the signal input 120.
  • the trigger input 120 is configured in such a way that the FADC 116 only accepts signals at its signal input 132 if the trigger signal 136 exceeds a predetermined level. The rest of the time, the FADC 116 "ignores" signals at its signal input 132.
  • step 410 the crankshaft signal is detected, digitized in the crankshaft AD converter 124, and then converted in step 412 in the trigger converter 112 into the trigger signal 136. This is then forwarded in step 414 to an analog-to-digital converter, here specifically the FADC 116.
  • step 416 FADC 116 queries whether the trigger signal exceeds a predetermined value. This query can take place in a permanent loop. Only if this is the case is an analog signal, which is forwarded from the filter amplifier unit 130 to the FADC 116 in the example shown in FIG. 1, recorded in step 418 and converted into a digital signal in step 420.
  • step 422 then forwards further processing to a microprocessor (not shown in FIG. 1), which can generate, for example, control signals for motor control from this signal in accordance with its programmed algorithms.
  • FIG. 5 shows an analog method in which the trigger signal 136 is not used to trigger an AD converter, but rather to trigger the data acquisition by a microprocessor.
  • This microprocessor which is part of practically every motor control device, is not shown in FIG. 1. It can be a further component of the ASICS 112.
  • the angular position of the crankshaft is first detected in step 510 and converted into a trigger signal in step 512.
  • this trigger signal is then not forwarded directly to an AD converter, but to a microprocessor.
  • the latter queries the trigger signal in step 516 and accepts no data from the AD converter as long as it does not exceed a predetermined level (step 518).
  • an AD converter continuously acquires analog measurement data from one or more sensors in step 520, possibly undertakes preprocessing, converts the analog signals into digital signals and makes the converted signals available to the microprocessor.
  • the query in step 516 determines a sufficient trigger level does the microprocessor accept this data in step 522 and process it further in step 524.
  • FIG. 6 shows an alternative construction of an engine control device 110 to FIG. 1, in which the crankshaft-synchronous trigger signal 136 is not used for triggering an internal FADC 116, but for triggering an external AD converter 610 6 is that the signal output 118 of the trigger converter 114 is connected to a trigger input 612 of the external AD converter 610. This in turn is connected via an interface 614 to a microprocessor 616 integrated in the ASIC 112.
  • the function of the structure shown in FIG. 6 corresponds to the structure in FIG. 1.
  • the AD conversion of the analog signal generated by the sensor 128 does not take place in the ASIC 112, but rather through the external electronic component 610.
  • the analog or Already digitized data can take place in the external AD converter 610, so that the data transmitted to the microprocessor 616 via the interface 614 can already be reduced to an absolute minimum. This further relieves the load on the microprocessor 610. Since the external AD converter 610 is easily accessible, it can also be easily replaced and, for example, replaced when more modern components are available.
  • the trigger signal 136 is forwarded to an AD converter in step 414 via an external line connection.

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Description

Kurbelwellensynchrone Erfassung analoger Signale
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufnahme analoger Signale, insbesondere analoger Sensorsignale, welche in Bezug zu einem Winkelsignal, insbesondere dem Winkelsignal einer Kurbelwelle in Verbrennungsmotoren, stehen. Derartige Vorrichtungen und Verfahren dienen vorwiegend zur Aufnahme analoger Messwerte in Motorsteuerungsgeräten (engl. Engine Control Units, ECüs) .
Der Betrieb moderner Verbrennungsmotoren in der Automobiltechnik ist ohne den Einsatz von hochleistungsfähigen Computersystemen undenkbar. Insbesondere die zunehmend restriktiven Anforderungen an die Schadstoffemission in Form von entsprechenden gesetzlichen Regelungen machen den Einsatz ausgefeilter Computer- und Regelungstechnik für die präzise Einstellung des Verbrennungsgemischs und des ZündungsZeitpunkts erforderlich. Dabei müssen insbesondere zahlreiche Sensorsignale, wie beispielsweise die Signale von Sauerstoff- oder Temperatursensoren in Echtzeit verarbeitet werden.
Diese Aufgaben werden im wesentlichen von dem Motorsteuerungsgerät (ECU) , dem leistungsfähigsten Computersystem an Bord eines Kraftfahrzeugs, übernommen. Neben einem oder mehreren Mikroprozessoren (i. d. R. sogenannten "eingebetteten Systemen", engl. Embedded Systems) sind eine Reihe weiterer elektronischer Komponenten, wie beispielsweise Analog- Digital-Wandler (AD-Wandler) oder elektronische Filterbausteine, in das entsprechende Gehäuse eines Motorsteuerungsgeräts integriert. Das Motorsteuerungsgerät berechnet aus den zahlreichen Sensorsignalen (beispielsweise unter Zuhilfenahme von Tabellen, sog. Lookup-Tables) die entsprechenden Regelsignale und Einstellungsparameter, wie beispielsweise den optimalen Zeitpunkt einer Zündung oder die optimale Zeitdauer einer Kraftstoffeinspritzung. Insbesondere bei der Erfassung analoger Messwerte (beispielsweise der Messwerte von Druck-, Temperatur- oder Sauerstoffsensoren) spielt die zeitliche Synchronisation der Messung eine erhebliche Rolle. Zwar beinhalten auch einfache Computersysteme interne Uhrensysteme (Clock) , welche grundsätzlich für die zeitliche Erfassung und Synchronisation der Messwerterfassung genutzt werden können. Allerdings ist dabei zu beachten, dass die Messwerte typischerweise jeweils in Relation zu einem definierten Betriebszustand des Motors erfasst werden müssen. Als Indikator für den Betriebszustand eines Motors hat sich insbesondere die Winkelstellung der Kurbelwelle etabliert.
Je nach Typ des Verbrennungsmotors definiert die Winkelstellung der Kurbelwelle exakt die Stellung der Kolben in jedem einzelnen Zylinder. So umfasst beispielsweise ein kompletter Zyklus eines typischen Vierzylinder-Verbrennungsmotors zwei komplette Umdrehungen der Kurbelwelle, also Winkel von 0° bis 720°. Nach zwei Umdrehungen (720°) hat jeder Zylinder des Motors einmal seinen Zyklus durchfahren. Dabei arbeiten die Zylinder sequenziell, das heißt jeder Zylinder arbeitet nur innerhalb eines bestimmten Abschnitts innerhalb eines kompletten Zyklus. Ein derartiger Zeitabschnitt wird auch als Segment bezeichnet. Jedem Segment entspricht dabei ein Bereich der Winkelstellung der Kurbelwelle, welcher sich aus dem gesamten Winkelbereich (beispielsweise 720°), dividiert durch die Anzahl der Zylinder, ergibt. So umfasst ein Segment eines Vierzylinder-Verbrennungsmotors einen Winkelbereich von 180°. Das erste Segment entspricht also Winkelstellungen von 0° bis 180°, das zweite Winkelstellungen von 180° bis 360° usw.
Die Winkelstellung der Kurbelwelle wird typischerweise mittels einer sogenannten Geberscheibe auf der Kurbelwelle erfasst. Bei dieser Geberscheibe handelt es sich meist um eine metallische Zahnscheibe, deren Drehung üblicherweise mittels eines induktiven Sensors erfasst wird. Typische Geberscheiben für Vierzylindermotoren weisen beispielsweise 60 Zähne auf (bzw. 58 nach Abzug der zwei "Zahnlücken") , was einer Anzahl von 120 Zähnen für einen kompletten Zyklus von 720°, also einem Zahn pro 6° Winkelstellung, entspricht. Dabei verändert sich, sobald sich ein Zahn der Geberscheibe einer Induktionsspule des Sensors nähert, das Magnetfeld in der Spule, wodurch ein Strom in der Spule induziert wird. Die Frequenz dieses zeitlich veränderlichen Stroms ist ein Maß für die Drehzahl der Kurbelwelle. Auch andere Arten von Sensoren, wie beispielsweise optische oder magnetische Sensoren, sind grundsätzlich einsetzbar.
Um aus dem periodischen Signal der Drehzahlmessung auch auf eine absolute Stellung der Kurbelwelle schließen zu können, werden meist Lücken in die Zähne der Geberscheibe eingebaut, wobei die Lücken typischerweise zwei Zähne umfassen. Auf diese Weise lasst sich die Stellung der Kurbelwelle und damit ein wichtiger Parameter des Betriebzustands des Verbrennungsmotors anhand des Signals exakt bestimmen.
Die Winkelstellung der Kurbelwelle bzw. die Drehzahl wird in herkömmlichen Motorsteuerungsgeräten in regelmäßigen Zeitabständen mit der internen Uhr des Motorsteuerungsgeräts synchronisiert. Die Erfassung von Sensorsignalen und die darauf basierende Berechnung bzw. Erzeugung entsprechender Parameter und Regelsignale erfolgt als Funktion der internen Uhr des Motorsteuerungsgeräts .
Diese Berechnungen sind jedoch zeitaufwändig und belasten den Prozessor stark durch Rechenleistung und Speieheraufwand. So muss zunächst bei einer bestimmten Drehzahl des Motors die Winkelstellung der Kurbelwelle erfasst werden und mit der internen Uhr des Motorsteuerungsgeräts synchronisiert werden. Dann werden relativ zur internen Uhr des Motorsteuerungsgeräts Messdaten der verschiedenen Sensoren erfasst. Diese Messdatenerfassung erfolgt bislang üblicherweise mit einer festen Abtastrate, wobei Abtastraten zwischen 5 und 10 Mikrosekunden typisch sind. So wird beispielsweise alle 10 Mikrosekunden ein neuer analoger Wert eines bestimmten Sensorsignals erfasst. Bei einer Drehzahl von 1000 U/min in einem Vierzylindermotor, d. h. einer Zyklenzeit (Zeit für eine 720 "-Drehung) von 120 Millisekunden und somit einer Segmentzeit von 30 Millisekunden, entspricht dies 3000 analogen Messwerten pro Sensor, Zylinder und Segment. Bei niedrigeren Drehzahlen erhöht sich die Anzahl der Messwerte pro Sensor, Zylinder und Segment entsprechend. So werden beispielsweise bei 500 U/min bereits 6000 analoge Messwerte pro Sensor, Zylinder und Segment erfasst. Dies stellt eine enorme Speicherbelastung für das Motorsteuerungsgerät dar.
Zwar besteht grundsätzlich die Möglichkeit, die Abtastrate der Messsignalerfassung der Drehzahl des Motors anzupassen. Die limitierten Möglichkeiten der Konfiguration vorhandener AD-Wandler in eingebetteten Mikrocontrollern schränken diese Möglichkeiten jedoch stark ein.
Aus diesen Messdaten werden dann optimale Regelsignale berechnet, welche jedoch beispielsweise wiederum in genau bestimmten (beispielsweise durch das Motorsteuerungsgerät berechneten) Winkelstellungen der Kurbelwelle ausgegeben werden müssen. Zu diesem Zweck müssen also die optimalen Zeitpunkte in der Zeitbasis des Motorsteuerungsgeräts berechnet werden und diese dann wiederum in entsprechende Winkelstellungen umgerechnet werden. Diese aufwändige Berechnung und Erzeugung von Regelsignalen belastet den Mikroprozessor der ECU, welcher typischerweise lediglich eine Taktfrequenz von 40 MHz und eine Speicherkapazität von 256 Kilobyte aufweist, extrem.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mittels derer die Erfassung und Verarbeitung analoger Messdaten in Motorsteuerungsgeräten verbessert wird. Diese Aufgabe wird durch die Erfindung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Es wird ein Motorsteuerungsgerät vorgeschlagen, welches Mittel zum Erfassen einer Winkelstellung einer Kurbelwelle aufweist, sowie Mittel zum Umwandeln der Winkelstellung der Kurbelwelle in ein elektronisches Triggersignal. Weiterhin soll das Motorsteuerungsgerät Mittel zum Erfassen mindestens eines analogen Signals, insbesondere eines analogen Sensorsignals, aufweisen, darunter mindestens einen Signaleingang für analoge Signale, mindestens einen Analog-Digital-Wandler zur Umwandlung des mindestens einen analogen Signals in mindestens ein digitales Signal und mindestens eine Steuereinrichtung. Diese Steuereinrichtung soll, abhängig von dem elektronischen Triggersignal, das Erfassen des mindestens einen analogen Signals ein- bzw. ausschalten und/oder starten bzw. beenden könne .
Der Begriff "Erfassen" ist dabei weit auszulegen. Dabei kann es ich beispielsweise um Messen, Zwischenspeichern (Sampeln) , Analog-Digital-Wandeln, abspeichern oder eine Kombination dieser Vorgänge (evtl. mit weiteren Modifikationen der Signale) handeln. Alternativ kann auch eine permanente Analog- Digital-Wandlung erfolgen, wobei nur die Abspeicherung der gewandelten Daten als "Erfassen" verstanden wird. Unter "Mitteln zum Erfassen" kann dementsprechend beispielsweise ein entsprechender Sensor, ein Analog-Digital-Wandler, eine entsprechende Signalwandlung oder Zwischenspeicherung oder auch nur ein Teil dieser Vorrichtungen zu verstehen sein.
Bei der Steuereinrichtung kann es sich beispielsweise um einen Triggereingang handeln, welcher insbesondere mit Mitteln zum Erzeugen eines Triggersignals, z. B. einem Triggerwandler, zusammenwirken kann. Unter einem Motorsteuerungsgerät ist ein System zur Steuerung eines Verbrennungsmotors zu verstehen. Dabei muss es sich nicht notwendigerweise um eine physikalische und/oder elektronische Einheit handeln, sondern es kann sich insbesondere auch um eine Verknüpfung zusammenwirkender, jedoch räumlich voneinander getrennter Komponenten handeln. Insbesondere die Mittel zum Umwandeln der Winkelstellung der Kurbelwelle in ein elektronisches Triggersignal sowie die Mittel zum Erfassen des mindestens einen analogen Signals können ganz oder teilweise in einem integrierten elektronischen Schaltkreis, insbesondere einen sogenannten anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) integriert sein.
Bei dem digitalen elektronischen Triggersignal kann es sich insbesondere um ein periodisches, beispielsweise rechteckför- miges, Signal handeln, beispielsweise ein TTL-Signal. So kann insbesondere eine Periode dieses Signals einer Periode auf der Geberscheibe, also dem Abstand zwischen zwei Zähnen auf der Geberscheibe (siehe oben) bzw. der daraus resultierenden Winkeldrehung der Kurbelwelle entsprechen. In dem oben beschriebenen Beispiel des Vierzylindermotors mit einer Geberscheibe von 60 Zähnen entspricht also eine Periode einer Winkeldrehung der Kurbelwelle von 6°.
Da, wie oben beschrieben, in der Regel auf der Geberscheibe einer oder mehrere Zähne fehlen, kann aus den entsprechenden Lücken im Triggersignal auch auf eine absolute Winkelstellung der Kurbelwelle geschlossen werden.
Das Triggersignal kann zusätzlich entsprechend modifiziert werden. Als besonders vorteilhaft hat sich dabei eine Anpassung des Signalpegels, eine Frequenzfilterung, eine Frequenzvervielfachung und/oder eine Phasenverschiebung erwiesen. Eine Frequenzfilterung kann beispielsweise erforderlich sein, um höherfrequente oder niederfrequente Störsignale (Vibrationen, Oberschwingungen etc.) zu eliminieren. Unter einer Frequenzvervielfachung ist eine Modifikation eines periodischen Signals dahingehend zu verstehen, dass die Frequenz des Signals mit einem Multiplikator (wobei es sich typischerweise um eine rationale, insbesondere eine naturliche Zahl zwischen 0 und 1 oder großer als 1 handelt) multipliziert wird.
Auch die Umwandlung des Triggersignals in ein neues Triggersignal mittels einer vorgegebenen Funktion ist denkbar. So kann beispielsweise aus dem ursprünglichen Triggersignal mittels einer Zahlvorrichtung eine vorgegebene (beispielsweise eine durch ein Computerprogramm vorgegebene) Anzahl Perioden ausgewählt werden, wahrend derer das neue Triggersignal den Wert "high" annimmt. Auf diese Weise kann ein Triggersignal generiert werden, welches nur in ganz bestimmten Winkelstellungen der Kurbelwelle den Wert "high" annimmt. Oder es kann ab einer bestimmten Winkelstellung für eine fest vorgegebene Zeitdauer das Signal "high" ausgegeben werden.
Insbesondere kann die Modifizierung des Triggersignals der Drehzahl der Kurbelwelle angepasst werden. So kann beispielsweise eine Frequenzvervielfachung eines mit einer Frequenz F periodischen Triggersignals derart erfolgen, dass das die Frequenz F des neuen Triggersignals weniger als proportional mit der Drehzahl D steigt. Mit anderen Worten, der Quotient aus Frequenz F und Drehzahl D sinkt mit steigender Drehzahl. Dieses Sinken muss nicht kontinuierlich erfolgen, sondern kann beispielsweise auch in diskreten Stufen erfolgen. Wenn mit diesem neuen Triggersignal die Erfassung analoger Messdaten gesteuert wird (siehe unten) , so kann diese gezielte Anpassung der Frequenzvervielfachung dazu genutzt werden, dass über den gesamten Drehzahlbereich eine konstante Belastung der Speicher- und/oder Rechenkapazitat des Motorsteuerungsge- rats pro Zeiteinheit erfolgt. Die Anpassung des Triggersignals an die Drehzahl kann im laufenden Betrieb des Motorsteu- erungsgerates erfolgen.
Die Umwandlung der Winkelstellung der Kurbelwelle in ein entsprechendes Triggersignal nach einem der beschriebenen Ver- fahren kann insbesondere auch rein hardwarebasiert, das heißt ohne Verwendung von Rechenalgorithmen in separaten elektronischen Bausteinen erfolgen. Der Einsatz eines Mikroprozessors bzw. eine zusätzliche Belastung der Prozessorkapazität eines vorhandenen Prozessors (siehe unten) durch die Bildung des Triggersignals wird dadurch vermieden.
Bei dem mindestens einen analogen Signal kann es sich insbesondere um ein analoges Signal eines Sensors, beispielsweise eines Sauerstoff-, Temperatur- oder Drucksensors handeln, auch die Erfassung mehrerer analoger Signale, insbesondere der Signale mehrerer Sensoren, ist möglich. In diesem Fall bietet sich insbesondere die Verwendung eines oder mehrerer Schalter an, welche die Erfassung zwischen den einzelnen analogen Signalen umschalten können. Auf diese Weise können nacheinander oder alternativ oder parallel die Signale mehrerer Sensoren erfasst werden. Das Umschalten zwischen der Erfassung der einzelnen Signale kann insbesondere durch einen Mikrocomputer gesteuert werden, so dass zu vorgegebenen Zeitpunkten jeweils die analogen Signale vorgegebener Sensoren erfasst werden. Insbesondere kann die Umschaltung auch durch das elektronische Triggersignal (welches sinngemäß auch aus mehreren korrelierten Einzelsignalen bestehen kann) gesteuert werden.
Neben dem Analog-Digital-Wandler können die Mittel zum Erfassen des mindestens einen analogen Signals weiterhin auch eine Vorrichtung zur Datenverarbeitung (insbesondere einen Mikroprozessor) sowie Mittel zur Anpassung bzw. Veränderung der analogen Signale, insbesondere Mittel zur Frequenzfilterung, aufweisen. So kann es sich bei dem Mikrocomputer beispielsweise um die Recheneinheit (beispielsweise eine CPU mitsamt eines Speichers) eines kommerziellen integrierten Schaltkreises zur Motorsteuerung handeln.
Bei der Steuerungseinrichtung kann es sich insbesondere um einen Triggereingang des Analog-Digital-Konverters oder auch um einen Triggereingang der Vorrichtung zur Datenverarbeitung handeln. Dieser Triggereingang ist mit den Mitteln zur Umwandlung der Winkelstellung der Kurbelwelle in ein elektronisches Triggersignal verbunden. Dabei muss es sich nicht notwendigerweise um eine physikalische elektronische Verbindung handeln, sondern auch beispielsweise eine drahtlose Verbindung (z. B. infrarote Datenübertragung) ist denkbar. Auf diese Weise wird das oben beschriebene, aus der Winkelstellung der Kurbelwelle erzeugte Triggersignal oder ein daraus abgeleitetes Triggersignal für die Steuerung der Erfassung der analogen Signale verwendet.
Die digitalisierten Signale können dann mittels der Vorrichtung zur Datenverarbeitung weiterverarbeitet werden. So können beispielsweise aus einer Vielzahl von Sensorsignalen unter Zuhilfenahme abgespeicherter Funktionen und Parameter entsprechende Regelsignale für die Motorsteuerung generiert und ausgegeben werden.
Das beschriebene Motorsteuerungsgerät mit der kurbelwellensynchron getriggerten Datenaufnahme hat gegenüber,, den herkömmlichen, oben beschriebenen Motorsteuerungsgeräten mit konstanter bzw. vorgegebener Abtastrate den entscheidenden Vorteil, dass die Erfassung des mindestens einen analogen Signals nicht zu fest vorgegebenen Zeiten mit fest vorgegebenen Wiederholungsraten (Abtastraten) erfolgt. Eine zu starke Belastung der Rechen- und Speicherkapazität des Motorsteuerungsgeräts insbesondere bei niedrigen Drehzahlen . wird dadurch verhindert. Die Erfassung der analogen Signale erfolgt vielmehr in Abhängigkeit von der tatsächlichen WinkelStellung der Kurbelwelle und somit des tatsächlichen Betriebszustandes des Verbrennungsmotors. So können beispielsweise bestimmte Sensorsignale (beispielsweise das Signal eines Drucksensors in Zylinder 2 eines Vierzylindermotors) nur zu den tatsächlich interessanten Zeiten (also beispielsweise nur im Segment 2, in dem der 2. Zylinder arbeitet, also z. B. im Winkelbereich der Kurbelwelle zwischen 180° und 360°) erfasst werden. Uninteressante Daten, also analoge Signale in Winkelstellungen der Kurbelwelle, die bzgl. beispielsweise eines bestimmten Sensors uninteressant sind, werden also von vorneherein gar nicht erst erfasst, wodurch die Speicher- und Prozessorbelastung stark reduziert wird.
Eine prozessorkapazitäts- und speicheraufwändige Umrechnung der WinkelStellung der Kurbelwelle bzw. der Drehzahl in ein internes Zeitsystem des Motorsteuerungsgeräts kann entfallen. Für die Erzeugung der Triggersignale ist lediglich Hardware erforderlich, kein Software-Aufwand. Der Prozessor wird also entlastet. Auch eine konstant hohe Belastung bei niedrigen Drehzahlen findet nicht statt.
Auch die Genauigkeit des Systems wird durch die kurbelwellensynchrone Messdatenerfassung erheblich erhöht. Die Erfassung der Messdaten kann zu fest vorgegebenen Winkelstellungen erfolgen, was erheblich präziser ist als eine zeitgesteuerte Erfassung mit ggf. erforderlicher, anschließender Interpolation.
Um zu verhindern, dass die beschriebenen Vorteile ins Gegenteil (nämlich in eine zu starke Belastung des Motorsteuerungsgeräts bei hohen Drehzahlen) umschlagen, kann zusätzlich, wie oben beschrieben, eine Anpassung der Abtastrate bzw. eine Verringerung der Messdaten mit steigender Drehzahl durch entsprechende Anpassung des Triggersignals an die Drehzahl erfolgen. Auf diese Weise kann eine gleichmäßige Datenmenge und Prozessorbelastung über den gesamten Drehzahlbereich erreicht werden.
Um den Speicher und den Prozessor der Vorrichtung zur Datenverarbeitung weiter zu entlasten, kann auch bereits im Analog-Digital-Wandler, welcher die analogen Signale beispielsweise eines oder mehrerer Sensoren in digitale Signale umwandelt, eine Vorverarbeitung der Rohdaten stattfinden. Eine derartige Vorverarbeitung kann insbesondere eine Frequenzfil- terung und/oder eine statistische Analyse der analogen oder bereits digitalisierten Daten beinhalten. So kann beispielsweise bereits eine Mittelwertbildung der Daten über einen bestimmten Zeitraum oder über eine bestimmte Anzahl von Messwerten erfolgen. Durch diese Vorverarbeitung wird die Datenmenge, welche beispielsweise von dem Analog-Digital-Wandler an den Mikroprozessor übermittelt wird, erheblich reduziert.
Auch bei der Vorverarbeitung der erfassten Daten stellt die kurbelwellensynchrone Triggerung der Erfassung der analogen Daten nach einer der oben beschriebenen Methoden wieder einen essenziellen Vorteil dar. Da das Triggersignal, mittels dessen die Aufnahme der analogen Daten getriggert wird, Informationen über die Winkelstellung und die Drehzahl der Kurbelwelle enthält, kann beispielsweise das analoge oder digitale Signal direkt über einen bestimmten Winkelbereich der Kurbelwelle gemittelt werden. Eine Umrechnung der Winkelstellungen in zeitliche Signale ist nicht mehr erforderlich.
Auch eine drehzahlabhängige Vorverarbeitung der Daten ist denkbar, .beispielsweise indem der Zeit- oder Winkelstellungs- bereich, über welchen ein analoges oder digitales Signal gemittelt wird, in Abhängigkeit von der Drehzahl verschoben wird. So kann beispielsweise der Zeitpunkt der Zündung stark von der Drehzahl abhängig sein. Dabei kann es von Interesse sein, beispielsweise den Druck in einem bestimmten Zylinder jeweils in einem bestimmten Winkelbereich relativ zum Zündungszeitpunkt gemittelt zu erfassen. Mittels der kurbelwellensynchronen Triggerung der Signalerfassung ist dies wiederum ohne Einsatz von Rechenkapazität des Mikroprozessors und ohne Umrechnung des Triggersignals in ein Zeitsignal problemlos möglich.
Bei der Vorverarbeitung der erfassten Signale kann auch beispielsweise eine Anpassung einer vorgegebenen Näherungsfunk- tion an die erfassten Daten erfolgen. Entsprechend werden dann beispielsweise anstelle der Daten lediglich die Näheil rungsfunktion bzw. die die Näherungsfunktion charakterisierenden Parameter vom Analog-Digital-Wandler an die Vorrichtung zur Datenverarbeitung weitergeleitet. Auch dabei kann die Information über die Winkelstellung bzw. die Drehzahl der Kurbelwelle eine Rolle spielen, beispielsweise als einer der Parameter der Näherungsfunktion. Auch diese Art der Vorverarbeitung der Signale trägt erheblich zur Reduktion der benötigten Prozessor- und Speicherkapazität bei.
Ein weiterer Vorteil des beschriebenen Motorsteuerungsgeräts ist die Tatsache, dass die Vorrichtung mit existierenden Mikroprozessoren und Elektronikkomponenten realisiert werden kann. Sowohl Mikroprozessoren mit Triggereingang für Motorsteuerungsgeräte als auch Analog-Digital-Wandler mit Triggereingang sind kommerziell erhältlich. Eine teure und aufwändige Neuentwicklung derartiger Komponenten ist nicht erforderlich.
Es wird weiterhin ein Verfahren zur kurbelwellensynchronen Erfassung analoger Signale, insbesondere analoger Sensorsignale, vorgeschlagen, bei dem zunächst die Winkelstellung einer Kurbelwelle erfasst wird. Die erfasste Winkelstellung der Kurbelwelle wird in mindestens ein elektronisches Triggersignal umgewandelt. Weiterhin wird mindestens ein analoges Signal, insbesondere ein analoges Sensorsignal, erfasst. Dabei wird das mindestens eine analoge Signal in mindestens ein digitales Signal umgewandelt. Die Erfassung und/oder die Ana- log-Digital-Wandlung des mindes.tens einen analogen Signals wird mittels des Triggersignals gesteuert.
Vorteilhafter Weise erfolgt die Steuerung der Erfassung und/oder Analog-Digital-Wandlung des mindestens einen analogen Signals unter Verwendung eines der folgenden Prinzipien oder einer Kombination dieser Prinzipien: - Die Erfassung und/oder die Analog-Digital-Wandlung wird dadurch ausgelöst, dass das Triggersignal einen vorgegebenen Pegel erreicht, überschreitet oder unterschreitet. - Die Erfassung und/oder die Analog-Digital-Wandlung wird ermöglicht, solange das Triggersignal einen vorgegebenen Signalpegel mindestens erreicht und/oder überschreitet, wobei anderenfalls die Erfassung und/oder Analog- Digital-Wandlung verhindert wird. - Die Erfassung und/oder die Analog-Digital-Wandlung wird ermöglicht, solange das Triggersignal einen vorgegebenen Signalpegel unterschreitet und/oder nicht überschreitet, wobei anderenfalls die Erfassung und/oder Analog- Digital-Wandlung verhindert wird. - Die Erfassung und/oder die Analog-Digital-Wandlung wird bei einem periodischen Triggersignal während einer vorgegebenen Anzahl Perioden ermöglicht und andernfalls verhindert . - Die Erfassung und/oder die Analog-Digital-Wandlung wird ab einem vorgegebenen Triggersignal, insbesondere ab einem Zeitpunkt, in dem das Triggersignal einen vorgegebenen Pegel erreicht, überschreitet oder unterschreitet, während einer fest vorgegebenen Zeitdauer ermöglicht und andernfalls verhindert.
Weiterhin kann zusätzlich der Pegel des mindestens einen analogen Signals verändert werden und/oder eine Frequenzfilte- rung des mindestens einen analogen Signals durchgeführt werden. Weiterhin kann aus dem mindestens einen digitalen Signal mittels eines Datenverarbeitungsalgorithmus mindestens ein Regelsignal zur Regelung eines Verbrennungsmotors berechnet werden.
Vorteilhafter Weise kann das mindestens eine elektronische Triggersignal mit einem vorgegebenen Multiplikator frequenzvervielfacht werden und/oder um eine vorgegebene Phase phasenverschoben werden und/oder aus dem mindestens einen elektronischen Triggersignal mindestens ein zweites elektronisches Triggersignal erzeugt werden, wobei das zweite elektronische Triggersignal eine Funktion mit veränderbaren Parametern des ersten elektronischen Triggersignals ist.
Insbesondere kann die Erzeugung des mindestens einen elektronischen Triggersignals abhängig sein von der Drehzahl der Kurbelwelle. Vorteilhafter Weise wird dabei, sofern das e- lektronische Triggersignal periodisch mit einer Frequenz F ist oder annähernd periodisch ist oder innerhalb eines betrachteten Zeitraums zumindest annähernd periodisch ist, dessen Frequenz F mit steigender Drehzahl derart vervielfacht, dass das Verhältnis zwischen der Frequenz F und der Drehzahl D sich mit steigender Drehzahl D verringert.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei- spielen näher erläutert, die in den Figuren schematisch dargestellt sind. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Beispiele beschränkt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente. Im Einzelnen zeigt:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines Motorsteuerungsgeräts mit kurbelwellensynchron getriggertem Mikrocomputer zur Messdatenerfassung;
Fig. 2 einen Verlauf eines Kurbelwellensignals;
Fig. 3 einen Verlauf eines Triggersignals;
Fig. 4 einen Ablaufplan eines ersten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur kurbelwellensynchronen Messdatenerfassung;
Fig. 5 einen Ablaufplan eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur kurbelwellensynchronen Messdatenerfassung; und
Fig. 6 eine zweite Ausführungsform eines Motorsteuerungsgeräts mit kurbelwellensynchron getriggertem externen AD-Wandler zur Messdatenerfassung. Kernelement des Motorsteuerungsgeräts 110 in Fig. 1 ist ein integrierter Schaltkreis (ASIC) 112, welcher einen Triggerwandler 114 und einen schnellen AD-Wandler (englisch Fast AD- Converter, FADC) 116 umfasst. Im dargestellten Beispiel handelt es sich bei dem ASIC 112 um einen Controller der TC17xx- Familie des Herstellers Infineon. Ein Signalausgang 118 des Triggerwandlers 114 ist mit einem Triggereingang 120 des FADCs 116 verbunden.
Ein Kurbelwellensensor 122 ist über einen Kurbelwellen-AD- Wandler 124 mit einem Signaleingang 126 des Triggerwandlers 114 verbunden. Ein Temperatursensor 128 ist über eine Filter- Verstärker-Einheit 130 mit einem Signaleingang 132 des FADCs 116 verbunden.
Zur Erläuterung des Zusammenwirkens der einzelnen Bauelemente des Motorsteuerungsgeräts 110 in Fig. 1 ist das zwischen dem Kurbelwellen-AD-Wandler 124 und dem Triggerwandler 112 ausgetauschte Kurbelwellensignal 134 in Fig. 2 dargestellt. Entsprechend ist das zwischen dem Triggerwandler 112 und dem FADC 116 ausgetauschte Triggersignal 136 in Fig. 3 dargestellt.
Zunächst erfasst, wie oben beschrieben, der Kurbelwellensensor 122 ein Signal der Kurbelwelle, wobei es sich in diesem Beispiel um ein (nicht dargestelltes) analoges Sinussignal eines Magnetsensors handelt, welches die Position der Zähne der oben beschriebenen Zahnscheibe erfasst. Dieses analoge Sinussignal wird im Kurbelwellen-AD-Wandler 124 in das in Fig. 2 dargestellte Kurbelwellensignal 134 umgewandelt. Dabei handelt es sich um ein Rechtecksignal, welches jeweils für eine Zeitdauer tl bis t2 auf dem Level "Low" (hier die Nulllinie) liegt, und anschließend für eine Zeitdauer von t2 bis t3 auf dem TTL-Level "High" (5 Volt) . Das Signal hat also eine Periode t3-tl und eine Frequenz von l/(t3-tl). Das Kurbelwellensignal 134 wird im Triggerwandler 114 in diesem einfachen Beispiel frequenzvervielfacht um einen Faktor neun. Dementsprechend erzeugt der Triggerwandler 114 aus dem Kurbelwellensignal 134 als Triggersignal 136 ein Rechtecksignal mit der Frequenz 9x1/ (t3-tl) . Die Signallevel werden in diesem Beispiel unverändert belassen. Der Triggerwandler 114 startet die Umwandlung jeweils zum Zeitpunkt tl, also mit fallender Flanke des Kurbelwellensignals 134 und generiert eine steigende Flanke des Triggersignals 136. Dementsprechend ist das Triggersignal 136 im Vergleich zum Kurbelwellensignal 134 um 180° phasenverschoben.
Dieses Triggersignal 136 wird über den Signaleingang 120 an den FADC 116 weitergeleitet. Der Triggereingang 120 ist derart ausgestaltet, dass der FADC 116 nur Signale an seinem Signaleingang 132 akzeptiert, wenn das Triggersignal 136 einen vorgegebenen Pegel überschreitet. In der übrigen Zeit "ignoriert" der FADC 116 Signale an seinem Signaleingang 132.
Mittels des in Fig.. 1 beschriebenen Aufbaus lässt sich beispielsweise das in Fig. 4 dargestellte Verfahren durchführen. Zunächst wird dabei in Schritt 410, wie oben beschrieben, das Signal der Kurbelwelle erfasst, im Kurbelwellen-AD-Wandler 124 digitalisiert und anschließend in Schritt 412 im Triggerwandler 112 in das Triggersignal 136 umgewandelt. Dieses wird dann in Schritt 414 an einen Analog-Digital-Wandler, hier speziell den FADC 116, weitergeleitet. Der FADC 116 fragt in Schritt 416 ab, ob das Triggersignal einen vorgegebenen Wert überschreitet. Diese Abfrage kann in einer permanenten Schleife erfolgen. Nur wenn dies der Fall ist, wird in Schritt 418 ein analoges Signal, welches im in Fig. 1 dargestellten Beispiel von der Filter-Verstärker-Einheit 130 an den FADC 116 weitergeleitet wird, erfasst und in Schritt 420 in ein digitales Signal umgewandelt. Auch eine vollständige oder teilweise Vorverarbeitung des Signals (siehe oben) kann in diesem Schritt bereits erfolgen. Dieses digitale Signal wiederum wird dann in Schritt 422 zur weiteren Verarbeitung an einen (in Fig. 1 nicht dargestellten) Mikroprozessor weitergeleitet, welcher aus diesem Signal entsprechend seiner programmierten Algorithmen beispielsweise Regelsignale zur Motorsteuerung erzeugen kann.
In Fig. 5 ist ein analoges Verfahren dargestellt, bei dem das Triggersignal 136 nicht zur Triggerung eines AD-Wandlers, sondern zur Triggerung der Datenaufnahme durch einen Mikroprozessor verwendet wird. Dieser Mikroprozessor, welcher Bestandteil praktisch jedes Motorsteuerungsgeräts ist, ist in Fig. 1 nicht dargestellt. Er kann einen weiteren Bestandteil des ASICS 112 darstellen.
Analog zu Fig. 4 wird zunächst in Schritt 510 die Winkelstellung der Kurbelwelle erfasst und in Schritt 512 in ein Triggersignal umgewandelt .
Dieses Triggersignal wird dann in Schritt 514 nicht direkt an einen AD-Wandler, sondern an einen Mikroprozessor weitergeleitet. Dieser fragt in Schritt 516 das Triggersignal ab und nimmt keine Daten vom AD-Wandler an, solange das einen vorgegebenen Pegel nicht überschreitet (Schritt 518) . Unabhängig davon erfasst ein AD-Wandler in Schritt 520 kontinuierlich analoge Messdaten eines oder mehrerer Sensoren, nimmt evtl. eine Vorverarbeitung vor, wandelt die analogen Signale in digitale Signale um und stellt die umgewandelten Signale dem Mikroprozessor zur Verfügung. Jedoch erst, wenn die Abfrage in Schritt 516 ein ausreichendes Triggerlevel feststellt, nimmt der Mikroprozessor diese Daten in Schritt 522 entgegen und verarbeitet diese in Schritt 524 weiter.
In Fig. 6 ist ein zu Fig. 1 alternativer Aufbau eines Motorsteuerungsgeräts 110 dargestellt, bei dem das kurbelwellensynchrone Triggersignal 136 nicht zur Triggerung eines internen FADCs 116 verwendet wird, sondern zur Triggerung eines externen AD-Wandlers 610. Der wesentliche Unterschied des Aufbaus in Fig. 6 besteht darin, dass der Signalausgang 118 des Triggerwandlers 114 mit einem Triggereingang 612 des externen AD-Wandlers 610 verbunden ist. Dieser wiederum ist ü- ber eine Schnittstelle 614 mit einem in den ASIC 112 integrierten Mikroprozessor 616 verbunden.
Die Funktionsweise des in Fig. 6 dargestellten Aufbaus entspricht dem Aufbau in Fig. 1. Die AD-Wandlung des analogen, vom Sensor 128 generierten Signals erfolgt jedoch nicht im ASIC 112, sondern durch die externe elektronische Komponente 610. Auch eine Vorverarbeitung der analogen oder bereits digitalisierten Daten kann im externen AD-Wandler 610 erfolgen, so dass die über die Schnittstelle 614 an den Mikroprozessor 616 übermittelten Daten bereits auf ein absolutes Minimum reduziert sein können. Dadurch wird der Mikroprozessor 610 weiter entlastet. Da der externe AD-Wandler 610 leicht zugänglich ist, kann dieser auch auf einfache Weise ersetzt werden und beispielsweise bei Verfügbarkeit modernerer Komponenten ausgetauscht werden.
Das in Fig. 4 dargestellte und oben beschriebene Verfahren kann auf die in Fig. 6 dargestellte Anordnung übertragen werden. Die Weiterleitung des Triggersignals 136 an einen AD- Wandler in Schritt 414 erfolgt in diesem Fall über eine externe Leitungsverbindung.

Claims

Patentansprüche
1. Motorsteuerungsgerät (110) mit a) Mitteln (122, 124) zum Erfassen einer Winkelstellung einer Kurbelwelle; b) Mitteln (114) zum Umwandeln der Winkelstellung der Kurbelwelle in ein elektronisches Triggersignal (136) ; und c) Mitteln zum Erfassen mindestens eines analogen Signals (116, 128, 130; 610) , insbesondere eines analogen Sensorsig- nals, mit cl) mindestens einem Signaleingang (132) für analoge Signale; c2) mindestens einem Analog-Digital-Wandler (116; 610) zur Umwandlung des mindestens einen analogen Signals in mindestens ein digitales Signal; und c3) mindestens einer Steuereinrichtung (120; 612) , - wobei die Steuerungseinrichtung abhängig von dem elektronischen Triggersignal (136) das Erfassen des mindestens einen analogen Signals ein- bzw. ausschaltet und/oder startet bzw. beendet.
2. Motorsteuerungsgerät (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, des dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erfassen mindestens eines analogen Signals (116, 128, 130; 610) weiterhin mindestens eine der folgenden Komponenten aufweisen: c4) eine Vorrichtung zur Datenverarbeitung, insbesondere einen Mikroprozessor (616) ; und/oder c5) Mittel zur Anpassung bzw. Veränderung des Signalpegels des mindestens einen analogen Signals (130; 610) ; und/oder c6) Mittel zur Frequenzfilterung des mindestens einen a- nalogen Signals (130; 610) .
3. Motorsteuerungsgerät (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (114, 120; 612) einen mit der Vorrichtung zur Datenverarbeitung (616) verbundenen Triggereingang aufweist.
4. Motorsteuerungsgerät (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Analog-Digital-Wandler (116; 610) mindestens eines der folgenden Mittel zur Vorverarbeitung der digitalen Signale aufweist: c21) Mittel zur statistischen Analyse der digitalen Signale; und/oder c22) Mittel zum Bilden eines zeitlichen Mittelwerts; und/oder c23) Mittel zum Anpassen und zur Verfügung stellen einer analytischen Näherungsfunktion an die digitalen Signale.
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5. Motorsteuerungsgerät (110) nach einem der...vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet:, dass die Mittel (114) zum Umwandeln der WinkelStellung der Kurbelwelle in ein elektronisches Triggersignal (136) eine oder mehrere der folgenden Komponenten aufweisen: bl) Mittel zur Anpassung bzw. Veränderung eines Signalpegels; und/oder b2) Mittel zur Frequenzvervielfachung und/oder Phasenverschiebung eines periodischen Signals; und/oder b3) Mittel zur Frequenzfilterung eines periodischen Signals; und/oder b4) eine Zählvorrichtung zum Zählen von Perioden oder Teilperioden eines periodischen Signals; und/oder b5) Mittel zur Auswahl vorgegebener Perioden eines periodischen Signals.
6. Motorsteuerungsgerät (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet:, dass die Steuereinrichtung (114, 120; 612) einen mit dem Analog-Digitalwandler (116; 610) verbundenen Triggereingang (120; 612) aufweist.
7. Motorsteuerungsgerät (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet:, dass die folgenden Komponenten ganz oder teilweise in einen integrierten elektronischen Schaltkreis (ASIC) (112) integriert sind: - die Mittel zum Umwandeln der Winkelstellung der Kurbelwelle in ein elektronisches Triggersignal (112) ; und - die Mittel zum Erfassen des mindestens einen analogen Signals (116) .
8. Verfahren zur kurbelwellensynchronen Erfassung analoger Signale, insbesondere analoger Sensorsignale, mit folgenden Schritten: a) die Winkelstellung einer Kurbelwelle wird erfasst; b) die erfasste Winkelstellung der Kurbelwelle wird in mindestens ein elektronisches Triggersignal (136) umgewandelt; c) mindestens ein analoges Signal, insbesondere ein analoges Sensorsignal, wird erfasst, wobei cl) das mindestens eine analoge Signal in mindestens ein digitales Signal umgewandelt wird; und c2) wobei die Erfassung und/oder die Analog-Digital- Wandlung des mindestens einen analogen Signals mittels des in Schritt b) erzeugten Triggersignals (136) gesteuert wird.
9. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass Verfahrensschritt c2) einen oder mehrere der folgenden Teilschritte aufweist: c21) die Erfassung und/oder die Analog-Digital-Wandlung wird dadurch ausgelöst, dass das Triggersignal (136) einen vorgegebenen Pegel erreicht, überschreitet oder unterschreitet; und/oder c22) die Erfassung und/oder die Analog-Digital-Wandlung wird ermöglicht, solange das Triggersignal (136) einen vorgegebenen Signalpegel mindestens erreicht und/oder überschreitet, wobei anderenfalls die Erfassung und/oder Analog- Digital-Wandlung verhindert wird; und/oder c23) die Erfassung und/oder die Analog-Digital-Wandlung wird ermöglicht, solange das Triggersignal (136) einen vorgegebenen Signalpegel unterschreitet und/oder nicht überschreitet, wobei anderenfalls die Erfassung und/oder Analog- Digital-Wandlung verhindert wird; und/oder c24) die Erfassung und/oder die Analog-Digital-Wandlung wird bei einem periodischen Triggersignal (136) während einer vorgegebenen Anzahl Perioden ermöglicht und andernfalls verhindert; und/oder c25) die Erfassung und/oder die Analog-Digital-Wandlung wird ab einem vorgegebenen Triggersignal (136) , insbesondere ab einem Zeitpunkt, in dem das Triggersignal (136) einen vorgegebenen Pegel erreicht, überschreitet oder unterschreitet, während einer fest vorgegebenen Zeitdauer ermöglicht und andernfalls verhindert.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Verfahrensschritt c) weiterhin einen oder mehrere der folgenden Teilschritte aufweist: c3) der Pegel des mindestens einen analogen Signals wird verändert; und/oder c4) es wird eine Frequenzfilterung des mindestens einen analogen Signals durchgeführt; und/oder c5) aus dem mindestens einen digitalen Signal wird mittels eines Datenverarbeitungsalgorithmus mindestens ein Regelsignal zur Regelung eines Verbrennungsmotors berechnet.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Verfahrensschritt b) weiterhin einen oder mehrere der folgenden Teilschritte aufweist: bl) das mindestens eine elektronische Triggersignal (136) wird mit einem vorgegebenen Multiplikator frequenzvervielfacht; und/oder b2) das mindestens eine elektronische Triggersignal (136) wird um eine vorgegebene Phase phasenverschoben; und/oder b3) aus dem mindestens einen elektronischen Triggersignal (134) wird mindestens ein zweites elektronisches Triggersignal (136) erzeugt, wobei das zweite elektronische Triggersignal (136) eine Funktion mit veränderbaren Parametern des ersten elektronischen Triggersignals (134) ist.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung des mindestens einen elektronischen Triggersignals (136) in Schritt b) abhängig ist von der Drehzahl der Kurbelwelle.
13. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das < elektronische Triggersignal (136) mit einer Frequenz F periodisch ist, wobei das Verhältnis zwischen der Frequenz F und der Drehzahl D mit steigender Drehzahl D verringert wird.
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