EP1756412B1 - Kurbelwellensynchrone erfassung analoger fahrzeugsignale - Google Patents

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EP1756412B1
EP1756412B1 EP05754119A EP05754119A EP1756412B1 EP 1756412 B1 EP1756412 B1 EP 1756412B1 EP 05754119 A EP05754119 A EP 05754119A EP 05754119 A EP05754119 A EP 05754119A EP 1756412 B1 EP1756412 B1 EP 1756412B1
Authority
EP
European Patent Office
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signal
analogue
trigger signal
crankshaft
detection
Prior art date
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Active
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EP05754119A
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English (en)
French (fr)
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EP1756412A1 (de
Inventor
Josef Aspelmayr
Diego Löbus
Richard Merl
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Continental Automotive GmbH
Original Assignee
Continental Automotive GmbH
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Publication date
Application filed by Continental Automotive GmbH filed Critical Continental Automotive GmbH
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Publication of EP1756412B1 publication Critical patent/EP1756412B1/de
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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 receiving 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.
  • analog signals in particular analog sensor signals
  • Such devices and methods are primarily used to record analogue measured values in engine control units (ECUs).
  • ECUs engine control units
  • ECU engine control unit
  • embedded systems Engl. Embedded Systems
  • AD converter analog-to-digital converter
  • filter modules electronic filter modules
  • the time synchronization of the measurement plays a significant role.
  • simple computer systems include internal clock systems (clock), which can be used in principle for the time recording and synchronization of the measured value acquisition.
  • clock internal clock systems
  • the measured values must typically be recorded in each case in relation to a defined operating state of the engine. As an indicator for the operating condition of an engine, in particular the angular position of the crankshaft has been established.
  • 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 includes two complete revolutions of the crankshaft, ie angles from 0 ° to 720 °. After two revolutions (720 °), each cylinder of the engine has passed through its cycle once.
  • the cylinders work sequentially, ie each cylinder only operates within a specific section within a complete cycle.
  • Such a period of time 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 comprises an angular range of 180 °. The first segment thus 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 disc on the crankshaft.
  • This encoder disk is usually a metallic toothed disk whose rotation is usually detected by means of an inductive sensor.
  • Typical encoder discs for four-cylinder engines for example, have 60 teeth (or 58 after deduction of the two "tooth spaces"), 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, whereby 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, are basically usable.
  • gaps are usually built into the teeth of the encoder disc, the gaps typically include two teeth. In this way, the position of the crankshaft and thus an important parameter of the operating state of the internal combustion engine based on the signal can be determined exactly.
  • the angular position of the crankshaft or the rotational speed is synchronized in conventional engine control devices at regular intervals with the internal clock of the engine control unit.
  • the detection of sensor signals and the calculation based thereon or generation of corresponding parameters and control signals takes place as a function of the internal clock of the engine control unit.
  • this measurement data acquisition usually takes place with a fixed sampling rate, wherein sampling rates between 5 and 10 microseconds are typical. For example, every 10 microseconds, a new analog value of a particular sensor signal is detected.
  • a cycle time time for a 720 ° rotation
  • this corresponds to 3000 analogue measurements per sensor, cylinder and segment.
  • the number of readings per sensor, cylinder and segment increases accordingly. For example, 6000 analogue readings per sensor, cylinder and segment are already recorded at 500 rpm. This represents an enormous storage load for the engine control unit.
  • optimum control signals are then calculated, which, however, in turn must be output in precisely determined (for example, calculated by the engine control unit) angular positions of the crankshaft. For this purpose, therefore, the optimal time points in the time base of the engine control unit must be calculated and then in turn converted into corresponding angular positions.
  • This complex calculation and generation of control signals loads the microprocessor of the ECU, which typically has only a clock frequency of 40 MHz and a storage capacity of 256 kilobytes, extremely.
  • the object of the invention is therefore to provide a method and a device by means of which the detection and processing of analog measurement data in engine control devices is improved.
  • 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 unit 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-to-digital converter for converting the at least one analog signal into at least one digital signal and at least one control device , This control device should, depending on the electronic trigger signal, the detection of the at least one analog signal on or off and / or start or stop.
  • capture is to be interpreted broadly. It can, for example, to measure, caching (sampling), analog-to-digital conversion, save or a combination of these processes (possibly with further modifications of the signals) act. Alternatively, a permanent analog-to-digital conversion can take place, whereby only the storage of the converted data is understood as “detection”.
  • detection By “means for detecting” can accordingly be understood, 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 may be, for example, a trigger input, which in particular has means for generating a trigger signal, for. 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 may in particular also be a combination of interacting but spatially separate 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 may 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 may in particular be a periodic, for example rectangular, signal, for example a TTL signal.
  • a period of this signal correspond to a period on the encoder disk, ie the distance between two teeth on the encoder disk (see above) and the resulting angular rotation of the crankshaft.
  • a period of an angular rotation of the crankshaft of 6 °.
  • the trigger signal can additionally be modified accordingly.
  • An adjustment of the signal level, a frequency filtering, a frequency multiplication and / or a phase shift has proven to be particularly advantageous.
  • frequency filtering may be required to eliminate higher frequency or low frequency noise (vibrations, harmonics, etc.).
  • Under a frequency multiplication is a modification of a periodic Signal is understood to mean that the frequency of the signal is multiplied by a multiplier (which is typically a rational, 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 conceivable.
  • a predetermined number of periods for example, a predetermined by a computer program
  • the new trigger signal assumes the value "high”.
  • a trigger signal can be generated, which assumes the value "high” only in very specific angular positions of the crankshaft. Or it can be output from a certain angular position for a fixed predetermined period of time, the signal "high".
  • the modification of the trigger signal of the speed of the crankshaft can be adjusted.
  • a frequency multiplication of a frequency signal F periodic trigger signal carried out such that the frequency F of the new trigger signal less than proportional to the speed D increases.
  • the quotient of frequency F and speed D decreases with increasing speed.
  • This sinking does not have to be continuous, but can also be done in discrete stages, for example. If the acquisition of analog measurement data is controlled with this new trigger signal (see below), this can be used: Targeted adjustment of the frequency multiplication so that a constant load of the memory and / or computing capacity of the engine control unit per unit of time over the entire speed range.
  • the adjustment of the trigger signal to the speed can be done during operation of the engine control unit.
  • the at least one analog signal can be, in particular, an analog signal of a sensor, for example an oxygen, temperature or pressure sensor, it is also possible to detect a plurality of analog signals, in particular the signals of a plurality of sensors.
  • a plurality of analog signals in particular the signals of a plurality of sensors.
  • the use of one or more switches which can switch the detection between the individual analog signals.
  • the signals of several sensors can be detected.
  • the switching between the detection of the individual signals can be controlled in particular by a microcomputer, so that at predetermined times in each case the analog signals of predetermined sensors are detected.
  • the switching can also be controlled by the electronic trigger signal (which, mutatis mutandis, can also consist of several correlated individual signals).
  • the means for detecting the at least one analog signal may also include a device for data processing (in particular a microprocessor) and means for adapting or changing the analog signals, in particular means for frequency filtering.
  • the microcomputer may be the arithmetic unit (for example, a CPU including a memory) of a commercial integrated circuit for motor control.
  • the control device may in particular be a trigger input of the analog-to-digital converter or else to act a trigger input of the data processing device.
  • This trigger input is connected to the means for converting the angular position of the crankshaft into an electronic trigger signal. It does not necessarily have to be a physical electronic connection, but also, for example, a wireless connection (eg infrared data transmission) is conceivable. In this way, the above-described trigger signal generated from the angular position of the crankshaft or a trigger signal derived therefrom is used to control the detection of the analog signals.
  • the digitized signals can then be further processed by means of the data processing device.
  • corresponding control signals for the engine control can be generated and output from a multiplicity of sensor signals with the aid of stored functions and parameters.
  • the engine control unit described with the crankshaft synchronously triggered data recording has the decisive advantage over the conventional motor control devices with a constant or predetermined sampling rate as described above, that the detection of the at least one analog signal does not take place at fixed predetermined times with fixed repetition rates (sampling rates). An excessive burden on the computing and storage capacity of the engine control unit, especially at low speeds is thereby prevented.
  • the detection of the analog signals rather takes place in dependence on the actual angular position of the crankshaft and thus the actual operating state of the internal combustion engine.
  • certain sensor signals for example, the signal of a pressure sensor in cylinder 2 of a four-cylinder engine
  • can only be used at the actually interesting times ie, only in segment 2 in which the second cylinder is operating, ie, for example, in the angular range of the crankshaft between 180.degree ° and 360 °.
  • Uninteresting data ie analog signals in angular positions of the crankshaft, which are uninteresting with respect to, for example, a particular sensor, so are not detected from the outset, whereby the memory and processor load is greatly reduced.
  • a processor capacity and memory-consuming conversion of the angular position of the crankshaft or the speed in an internal time system of the engine control unit can be omitted.
  • For the generation of the trigger signals only hardware is required, no software effort. The processor is thus relieved. Even a constant high load at low speeds does not occur.
  • crankshaft synchronous measurement data acquisition The acquisition of the measured data can be done at fixed angular positions, which is much more precise than a time-controlled recording with possibly required, subsequent interpolation.
  • preprocessing of the raw data can already take place in the analog-to-digital converter, which converts the analog signals of, for example, one or more sensors into digital signals.
  • Such preprocessing can in particular be frequency filtering and / or a statistical analysis of the analog or already digitized data. For example, an averaging of the data over a certain period of time or over a certain number of measured values can already take place.
  • crankshaft synchronous triggering of the acquisition of the analog data again an essential advantage. Since the trigger signal by means of which the recording of the analog data is triggered, information about the angular position and the speed of the Crankshaft contains, for example, the analog or digital signal can be averaged directly over a certain angular range of the crankshaft. A conversion of the angular positions into time signals is no longer necessary.
  • a speed-dependent preprocessing of the data is conceivable, for example by the time or angular position range over which an analog or digital signal is averaged, is shifted in dependence on the speed.
  • the timing of the ignition can be heavily dependent on the speed. It may be of interest, for example, to detect the pressure in a certain cylinder in each case in a certain angular range averaged relative to the ignition time.
  • preprocessing of the detected signals it is also possible, for example, to adapt a predetermined approximation function to the acquired data. Accordingly, then, for example, instead of the data only the approximate function or the parameter characterizing the proximity function is forwarded from the analog-to-digital converter to the device for data processing.
  • the information about the angular position or the speed of the crankshaft can play a role, 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 storage 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 microprocessor with trigger input for motor control devices and analog-to-digital converters with trigger input are commercially available. An expensive and expensive new development of such components is not required.
  • a method for the crankshaft-synchronous detection of analog signals, in particular analog sensor signals, in which first the angular position of a crankshaft is detected. The detected angular position of the crankshaft is converted into at least one electronic trigger signal. Furthermore, at least one analog signal, in particular an analog sensor signal, is detected. In this case, the at least one analog signal is converted into at least one digital signal. The detection and / or the analog-to-digital conversion of the at least one analog signal is controlled by means of the trigger signal.
  • the level of the at least one analog signal can be changed and / or a frequency filtering of the at least one analog signal can be performed.
  • 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 phase-shifted by a predetermined phase and / or at least one second electronic signal can be generated 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 may be dependent on the rotational speed of the crankshaft.
  • the electronic trigger signal is periodic with a frequency F or approximately periodic or at least approximately periodic within a period considered, its frequency F multiplied with increasing speed such that the ratio between the frequency F and the rotational speed D itself decreases with increasing speed D.
  • Core element of the engine control unit 110 in Fig. 1 is an integrated circuit (ASIC) 112 that includes a trigger converter 114 and a fast AD converter (FADC) 116.
  • ASIC 112 is a controller of the TC17xx family of 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 in between the crankshaft A / D converter 124 and the trigger converter 112 Fig. 2 shown.
  • the trigger signal 136 interchanged between the trigger converter 112 and the FADC 116 is in Fig. 3 shown.
  • the crankshaft sensor 122 detects a signal of the crankshaft, which in this example is an analog sine signal (not shown) of a magnetic sensor that detects the position of the teeth of the above-described toothed disk.
  • This analog sine signal is in the crankshaft AD converter 124 in the in Fig. 2 converted crankshaft signal 134 converted.
  • This is a square wave signal which is at "Low” level (here the zero line) for a period t1 to t2, and then at a TTL level "High” (5 Volt) for a period from t2 to t3.
  • the signal thus has a period t3-t1 and a frequency of 1 / (t3-t1).
  • the crankshaft signal 134 is frequency multiplied by a factor of nine in the trigger converter 114 in this simple example. Accordingly, the trigger converter 114 generates from the crankshaft signal 134 as a trigger signal 136 a square wave signal having the frequency 9x1 / (t3-t1). The signal levels are left unchanged in this example.
  • the trigger converter 114 starts the conversion at the time t1, that is, with the falling edge of the crankshaft signal 134 and generates a rising edge of the trigger signal 136. Accordingly, the trigger signal 136 is 180 ° out of phase with the crankshaft signal 134.
  • This trigger signal 136 is forwarded via the signal input 120 to the FADC 116.
  • the trigger input 120 is configured such that the FADC 116 accepts only signals at its signal input 132 when the trigger signal 136 exceeds a predetermined level. In the remaining time, the FADC 116 "ignores" signals at its signal input 132.
  • step 410 the signal of the crankshaft is detected, digitized in the crankshaft AD converter 124 and then converted into the trigger signal 136 in the trigger converter 112 in step 412. This is then forwarded in step 414 to an analog-to-digital converter, here specifically the FADC 116.
  • the FADC 116 queries in step 416 if the trigger signal exceeds a predetermined value. This query can be done in a permanent loop. Only if this is the case, in step 418, an analog signal, which in the in Fig.
  • step 420 Complete or partial preprocessing of the signal (see above) can also be carried out in this step.
  • This digital signal again, then in step 422, for further processing, to a (in Fig. 1 not shown) microprocessor forwarded, which can generate control signals for motor control from this signal according to its programmed algorithms, for example.
  • Fig. 5 an analog method is shown in which the trigger signal 136 is not used to trigger an AD converter, but to trigger the data acquisition by a microprocessor.
  • This microprocessor which is part of virtually every engine control device, is in Fig. 1 not shown. It can be another component of the ASICS 112.
  • step 510 Analogous to Fig. 4 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 forwarded in step 514 not directly to an A / D converter, but to a microprocessor.
  • an AD converter continuously acquires analog measurement data from one or more sensors in step 520, possibly pre-processing, converts the analog signals into digital signals, and provides the converted signals to the microprocessor.
  • the query determines a sufficient trigger level in step 516 does the microprocessor accept this data in step 522 and further process it in step 524.
  • Fig. 6 is one too Fig. 1 shown in an alternative structure of a motor control device 110, in which the crankshaft synchronous trigger signal 136 is not used to trigger an internal FADC 116, but to trigger an external AD converter 610.
  • the main difference of the Building in Fig. 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 AD conversion of the analog signal generated by the sensor 128 does not take place in the ASIC 112 but by the external electronic component 610.
  • a preprocessing of the analog or already digitized data can also take place in the external AD converter 610 so that the signals transmitted via the Interface 614 to the microprocessor 616 transmitted data can already be reduced to an absolute minimum. This further relieves the microprocessor 610. Since the external AD converter 610 is easily accessible, this can also be easily replaced and replaced, for example, with the availability of more modern components.

Description

  • 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, ECUs).
  • 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 lässt 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 Speicheraufwand. 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 können.
  • 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 rechteckförmiges, 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 natürliche Zahl zwischen 0 und 1 oder größer 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 Zählvorrichtung eine vorgegebene (beispielsweise eine durch ein Computerprogramm vorgegebene) Anzahl Perioden ausgewählt werden, während 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 Rechenkapazität des Motorsteuerungsgeräts pro Zeiteinheit erfolgt. Die Anpassung des Triggersignals an die Drehzahl kann im laufenden Betrieb des Motorsteuerungsgerätes erfolgen.
  • Die Umwandlung der Winkelstellung der Kurbelwelle in ein entsprechendes Triggersignal nach einem der beschriebenen Verfahren 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 Frequenzfilterung 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 Winkelstellungsbereich, 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 Näherungsfunktion an die erfassten Daten erfolgen. Entsprechend werden dann beispielsweise anstelle der Daten lediglich die Näherungsfunktion 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 Analog-Digital-Wandlung des mindestens 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 Frequenzfilterung 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 elektronische 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 Ausführungsbeispielen 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 Motorsteuerungsge- räts mit kurbelwellensynchron getriggertem Mikrocom- puter 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 Messda- tenerfassung;
    Fig. 5
    einen Ablaufplan eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur kurbelwellensynchronen Messda- tenerfassung; und
    Fig. 6
    eine zweite Ausführungsform eines Motorsteuerungsge- räts 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 t1 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-t1 und eine Frequenz von 1/(t3-t1).
  • 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-t1). Die Signallevel werden in diesem Beispiel unverändert belassen. Der Triggerwandler 114 startet die Umwandlung jeweils zum Zeitpunkt t1, 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 über 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 (13)

  1. Motorsteuerungsgerät (110), umfassend
    - einen Mikroprozessor (616) zur programmgesteuerten Berechnung von Motorsteuerungssignalen auf Basis mindestens eines analogen Signals, insbesondere eines analogen Sensorsignals,
    - Mittel (128, 130, 116; 610) zum Erfassen des analogen Signals, umfassend einen Signaleingang (132) für das analoge Signal und einen Analog-Digital-Wandler (116; 610) zur Umwandlung des analogen Signals in mindestens ein digitales Signal, welches dem Mikroprozessor (616) für dessen Berechnung der Motorsteuerungssignale zugeführt wird,
    - Mittel (122, 124) zum Erfassen einer Winkelstellung einer Kurbelwelle, und
    - Mittel (114) zum Umwandeln der Winkelstellung der Kurbelwelle in ein elektronisches Triggersignal (136),
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Mittel (114) zum Umwandeln der Winkelstellung der Kurbelwelle in das elektronische Triggersignal (136) unabhängig vom Programmablauf im Mikroprozessor (616) arbeiten, und
    dass die Mittel (128, 130, 116; 610) zum Erfassen des analogen Signals ferner eine unabhängig vom Programmablauf im Mikroprozessor (616) arbeitende Steuereinrichtung (120; 612) umfassen, die abhängig von dem elektronischen Triggersignal (136) das Erfassen des analogen Signals und/oder die Analog-Digital-Wandlung des analogen Signals starten bzw. beenden, um den Mikroprozessor (616) innerhalb jedes Motorbetriebszyklus zeitweilig zu entlasten.
  2. Motorsteuerungsgerät (110) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (128, 130, 116; 610) zum Erfassen des analogen Signals weiterhin eine oder beide der folgenden Komponenten aufweisen:
    - Mittel (130; 610) zur Anpassung bzw. Veränderung des Signalpegels des analogen Signals,
    - Mittel (130; 610) zur Frequenzfilterung des analogen Signals.
  3. Motorsteuerungsgerät (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung einen mit einer Vorrichtung zur Datenverarbeitung (616) verbundenen Triggereingang aufweist.
  4. Motorsteuerungsgerät (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Analog-Digital-Wandler (116; 610) eines oder mehrere der folgenden Mittel zur Vorverarbeitung der digitalen Signale aufweist:
    - Mittel zur statistischen Analyse der digitalen Signale,
    - Mittel zum Bilden eines zeitlichen Mittelwerts,
    - Mittel zum Anpassen und zur Verfügung stellen einer analytischen Näherungsfunktion an die digitalen Signale.
  5. Motorsteuerungsgerät (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (114) zum Umwandeln der Winkelstellung der Kurbelwelle in das elektronische Triggersignal (136) eine oder mehrere der folgenden Komponenten aufweisen:
    - Mittel zur Anpassung bzw. Veränderung eines Signalpegels,
    - Mittel zur Frequenzvervielfachung und/oder Phasenverschiebung eines periodischen Signals,
    - Mittel zur Frequenzfilterung eines periodischen Signals,
    - eine Zählvorrichtung zum Zählen von Perioden oder Teilperioden eines periodischen Signals,
    - 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 (114) zum Umwandeln der Winkelstellung der Kurbelwelle in das elektronische Triggersignal, und
    - die Mittel (116) zum Erfassen des analogen Signals.
  8. Verfahren zur Motorsteuerung, umfassend folgende Schritte:
    - programmgesteuerte Berechnung von Motorsteuerungssignalen auf Basis mindestens eines analogen Signals, insbesondere eines analogen Sensorsignals, mittels eines Mikroprozessors (616),
    - Erfassung und Analog-Digital-Wandlung des analogen Signals zur Umwandlung des analogen Signals in mindestens ein digitales Signal, welches dem Mikroprozessor (616) für dessen Berechnung der Motorsteuerungssignale zugeführt wird,
    - Erfassung einer Winkelstellung einer Kurbelwelle, und
    - Umwandelung der Winkelstellung der Kurbelwelle in ein elektronisches Triggersignal (136),
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Umwandelung der Winkelstellung der Kurbelwelle in das elektronische Triggersignal (136) unabhängig vom Programmablauf im Mikroprozessor (616) erfolgt, und dass die Erfassung des analogen Signals ferner eine unabhängig vom Programmablauf im Mikroprozessor (616) erfolgende Steuerung umfasst, die abhängig von dem elektronischen Triggersignal (136) das Erfassen des analogen Signals und/oder die Analog-Digital-Wandlung des analogen Signals startet bzw. beendet, um den Mikroprozessor (616) innerhalb jedes Motorbetriebszyklus zeitweilig zu entlasten.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung und Analog-Digital-Wandlung des analogen Signals einen oder mehrere der folgenden Teilschritte aufweist:
    - die Erfassung und/oder die Analog-Digital-Wandlung wird dadurch ausgelöst, dass das Triggersignal (136) einen vorgegebenen Pegel erreicht, überschreitet oder unterschreitet,
    - 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,
    - 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,
    - die Erfassung und/oder die Analog-Digital-Wandlung wird bei einem periodischen Triggersignal (136) während einer vorgegebenen Anzahl Perioden ermöglicht und andernfalls verhindert,
    - 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 die Erfassung des analogen Signals weiterhin einen oder mehrere der folgenden Teilschritte aufweist:
    - der Pegel des analogen Signals wird verändert,
    - es wird eine Frequenzfilterung des analogen Signals durchgeführt,
    - 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 die Umwandelung der Winkelstellung der Kurbelwelle in das elektronische Triggersignal (136) weiterhin einen oder mehrere der folgenden Teilschritte aufweist:
    - das mindestens eine elektronische Triggersignal (136) wird mit einem vorgegebenen Multiplikator frequenzvervielfacht,
    - das mindestens eine elektronische Triggersignal (136) wird um eine vorgegebene Phase phasenverschoben,
    - 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) 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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