JP2007183263A - 高い解像度の角度マーク信号を供給するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高い解像度の角度マーク信号を供給するための方法は、低い解像度の角度マーク信号を回転トリガーとしても検出することも含み、そして、低い解像度の角度マークから、予め設定可能な倍数で逓倍した周波数を持つ角度マークを生成するものである。
【解決手段】回転数の変動が大きい場合でも、クランク角信号の精確な逓倍を実現して、生成した出力マークとその高い確率で理論的に正しいと推定される位置との間に無視できる程度の偏差しか生じないようにするために、回転トリガーの発生以降に生成された高い解像度の出力角度マークを持続的に計数し、その計数値をそれぞれ新しい入力角度マークの発生時に、回転トリガーの発生以降の入力角度マークの計数及び倍数の乗算によって算出した数と比較して、その偏差に応じて、新しい入力角度マーク以後の出力角度マークの周波数を補正するものである。
【選択図】 図１

Description

この発明は、低い解像度の角度マーク信号を回転トリガーとしても検出し、低い解像度の角度マーク信号でのギャップからも回転トリガーを合成することができ、低い解像度の角度マーク信号から、予め設定可能な倍率で逓倍した周波数の角度マークを生成する、高い解像度の角度マーク信号を供給するための方法及びこの方法を実施するための装置に関し、この方法を実施するための装置は、低い解像度の角度マーク信号及び回転トリガー信号に関する入力と、入力した角度マーク信号を高い解像度で計測するためのモジュールと、周波数逓倍した角度マークを生成するためのマーク生成モジュールと、マーク生成モジュールを制御するための計算モジュールとを有するものである。

車両のエンジン制御器の調整及び開発のために、インジケーターシステムが益々採用されて来ている。これらの測定システムは、シリンダー圧などの大きさをクランク角と同期して検出して、特性値計算をリアルタイムで実行している。しかし、そのためには、走査基準として、高い解像度のクランク角信号を必要としている。しかしながら、車両内には、光学式精密角度検出器を搭載することは難しい。このため、多くの場合、粗い解像度（例えば、６０−２の歯）の符号板又はスプロケットホイールを用いて、切り抜けなければならない。その場合、これらの角度信号は、好適な手法によって、出来る限り精確に所望の角度解像度（例えば、０．１度）に逓倍しなければならない。符号板（６０−２）の場合、更にギャップから回転トリガー信号（ＯＴ信号）を導き出さなければならない。スプロケットホイール検出器では、ＯＴ信号用の変換器（例えば、カムシャフトセンサー）が更に必要である。

この課題の従来から周知の実施形態、即ちこれまでのクランク角計算機は、高い周波数の時間基準（例えば、２０ＭＨｚ）で入力マークの周期継続時間を計測し、倍率を反映した目標周波数を算出して、それをデジタルパルス生成器に設定することによって、この課題を解決している（特許文献１）。その場合、従来から周知の実施形態は、符号板の場合、一つ以上の歯が欠落するために、時折２倍以上の周期継続時間が出現して、それが出力周波数の誤った設定に結びつかないようにするという事実も十分に考慮している。

実際の出力マーク周波数とそのためちょうど生成された出力マークの周期継続時間を適合させるためには、常にその前の入力マークの周期継続時間を使用することとなるので、倍数が大きく、回転数の変動が激しい場合には、偏差が生じて、それが一つの回転内に累積する可能性が有る。しかし、インジケーターシステムは、二つの回転トリガー間の角度マークの数を連続的に監視している。マークの数が期待値と一致しない場合、同期エラーが通報されて、正しいインジケーター測定を実行することができなくなる。
ドイツ特許公開第１０２３７２２１号明細書

以上のことから、この発明の課題は、回転数が大きく変動する場合でも、クランク角信号の精確な逓倍を実現して、生成された出力マークとその高い確率で理論的に正しいと推定される位置との間に無視できる偏差しかが生じないようにする方法又は装置である。

最初に述べた方法は、この課題を解決するために、回転トリガーの発生以降に生成された高い解像度の出力角度マークを持続的に計数し、その計数値をそれぞれ新しい入力角度マークの発生時に、回転トリガーの発生以降の入力角度マークの計数及び倍数の乗算によって算出した数と比較することと、その偏差に応じて、新しい入力角度マーク以後の出力角度マークの周波数を補正することとを特徴とする。そうすることによって、偏差を直ちに修正して、それにより誤りが累積することを防止することで、回転数の変動が大きい場合でも、回転全体に渡ってのより精確なマークの逓倍を可能とする補正を実現することが可能である。

この発明の有利な実施構成では、回転トリガーの発生以降に生成された高い解像度の出力角度マークの計数に加えて、新しい入力角度マークの入力時点における実際の続く出力角度マークの周期継続時間の百分の１の割合での変化成分も算出して、その改善された偏差値に応じて、新しい入力角度マーク以後の出力角度マークの周波数の補正を更に実行するものと規定する。そうすることによって、生成された高い解像度の角度マークの実際値とその入力マークの入力時点での目標値との間の偏差を、その整数部分だけでなく、小数部分も示すことが可能となる。この原理によって、例えば、はずみ車のスプロケットホイールのマークを計測する場合（この際多くの場合歯数が素数である）に必要となるような、整数でない係数での角度マークの精確な逓倍も可能となる。しかし、倍数が整数の場合でも、この手法により、回転数が大きく変動しても、なお一層精密なマークの逓倍が可能となる。更に、それによって、場合によっては起こるデジタル制御ループの「ポンピング」も防止される。

更に、この発明の別の特徴では、この方法は、更に予め設定可能な数の入力角度マークの周期継続時間を記録しておくことと、記録しておいた値から、次の入力角度マークの周期継続時間を外挿法で推定することと、最後に検出した入力角度マークの周期継続時間値と外挿法による周期継続時間の推定値との間の偏差に応じて、出力角度マークの周波数を補正することとを特徴とする。そうすることによって、瞬間的な回転数の変化を先行して計算することが可能となり、このようにして、次の入力マークの周期継続時間を擬似的に予測して、それにより次の入力マーク後最初に見えようになって生成される角度マークの偏差を先を見越して補正するものである。そのような場合は、特に、例えば、激しい回転変動又は大きく遷移するプロセスによって（例えば、エンジン始動時に）生じる、回転数が瞬間的に速く変化する場合である。

この場合、出来る限り小さい負担で補正値を出来る限り速く計算するために、周期継続時間を直線による外挿法で推定するものと規定する。

非常に精確な外挿を実現するためには、周期継続時間を多項式の近似による外挿法で推定する。

この発明による方法の別の実施構成では、出力角度マークに関する補正値に予め設定可能な係数を乗算するものと規定する。このようにして、この補正方法の応答動特性を制御可能として、使用する歯車ディスクの精度にも、逓倍の大きさにも適合させることが可能となる。

この場合、有利には、これらの係数は、出力角度マークの周波数に関する倍数と比例するように設定する。

この発明による方法の別の実施構成では、この出力角度マークの周波数の適合を、生成された出力角度マークと同期しない形で行うものと規定する。そうすることによって、実際に生成された出力マークを待って、ようやく新しく算出した周期継続時間により次のマークを生成するのではなく、実際の続く出力マークの周期継続時間に直ぐに影響を加えるものである。このようにして、反応時間とそれにより逓倍回路の精度を向上させることが可能となる。

この発明の設定課題を解決するために、この方法を実施するための最初に述べた装置は、回転トリガー信号の発生以降にマーク生成モジュールによって生成された出力角度マーク用の計数モジュールと、検出した入力マーク用の計数モジュールと、回転トリガーの発生以降に生成された高い解像度の出力角度マークの数を、それぞれ新しい入力角度マークの発生時に、回転トリガーの発生以降の入力角度マークの計数と倍数の乗算によって算出した値と比較して、補正値を算出する比較モジュールと、比較モジュールの補正値に応じて、マーク生成モジュールの設定値を補正する補正モジュールとを特徴とする。それによって、従来の装置よりも精確なマークの逓倍が、回転数の変動が大きい場合でも、回転全体に渡って実行することが可能となり、偏差を直ちに修正して、それにより誤りが累積することを防止するものである。

この発明による有利な実施構成では、更に計数モジュールにおいて、入力マークが入って来た時点における実際の出力マークの周期継続時間の百分の１の割合での変化成分も算出して、その値を同じく比較モジュールに供給し、生成した角度マークの実際値とその目標値との値の偏差を小数部でも示すことを可能とする。そうすることによって、整数でない係数での角度マークのより精確な逓倍が可能となるか、或いは整数の倍数においても、回転数の変動が大きい場合でも一層精密なマークの逓倍が可能となる。周波数の変更を直ちに行うことができる、即ち、ちょうど生成したマークの周期継続時間に直ちに作用させることができ、その最初の終端を待つ必要がない。

この発明の別の特徴では、予め設定可能な数の入力マークの周期継続時間を一時的に保存するためのバッファモジュールと、それらから次の入力マークに関する期待される周期継続時間を外挿法で推定する外挿モジュールとを配備し、補正モジュールにおいて、最後のマークの外挿法で推定した周期継続時間と本当の周期継続時間との間の差分に応じて、マーク生成モジュールに対する設定値を補正するものである。このような瞬間的な回転数の変化の先行した計算によって、次の入力マークの周期継続時間を擬似的に予測することができ、その結果次の入力マーク後最初に見えようになって生成される角度マークの偏差を先を見越して補償することが可能となる。

この発明による別の有利な実施構成では、少なくとも比較モジュールと外挿モジュールにおいて、ポーリングルーチンを実装し、そのルーチンによって、補正モジュールに供給する値と乗算する値を取り込むことが可能となり、その結果逓倍回路を再調整するプロセスの動特性を最適化することができる。

この発明による別の有利な実施構成では、計数モジュールは、入って来る角度マーク信号を高い解像度で計測するためのモジュールとして実現されるとともに、周波数逓倍した角度マークを生成するためのマーク生成モジュールは、自由にプログラミングすることが可能なゲートアレイ（ＦＰＧＡ）による回路部分として実現される。

更に、有利には、マーク生成モジュールを制御するための計算モジュール、検出した入力マーク用計数モジュール、比較モジュール、補正モジュール、バッファモジュール及び外挿モジュールは、信号プロセッサ内のソフトウェアモジュールとして実現されるものと規定する。

以下の記述では、実施例にもとづき、この方法の原理を模式図で図示した添付図面を参照して、この発明を詳しく説明する。

この例示した構成では、一定の機能モジュールは、ＦＰＧＡによるハードウェア回路として、それに対して、その他のモジュールは、信号プロセッサのソフトウェアモジュールとして実装されている。このようにして、高い性能と高い柔軟性を同時に達成することが可能となる。

回路Ａは、高い解像度（例えば、５０ＭＨｚ）で入力マーク（信号Ａ）の周期継続時間（Ｔ_in）を計測すると同時に、各マーク時に信号プロセッサに割込みを掛けている。信号プロセッサは、プログラム部分Ｂで実際の周期継続時間を読み込んで、その周期継続時間から所望の逓倍（ｎ）により高めた出力マーク周波数を計算しており、その出力マーク周波数は、回路（Ｆ）によって生成される。この場合、符号板（６０−２）で生じるのと同様に、歯の検出が欠落することが有り、そのような継続時間が長くなった入力マークの計測した周期継続時間を、標準的なマークとして再計算するものである。

この場合、回路（Ｆ）は、同じく高い解像度（例えば、５０ＭＨｚ）で、その値が予め設定可能な比較値と一致するまでカウントアップするカウンタとして実装されている。そして、出力マーク（信号Ｂ）を生成し、カウンタをリセットして、新規にカウントアップを開始する。そのようにして、生成したマークの周期継続時間は、実際に予め設定した比較値と直接比例することとなる。この場合、計数プロセスの間に比較値を変更することもでき、その結果信号プロセッサにより算出された新しい値を直ぐに設定することが可能となり、実際のマークの継続時間にも作用させるものである（確かに比較値に達することによって、その終端がマーキングされる）。

回転数、即ち入力マークの周期継続時間が変化した場合、それに対応して自動的に出力周波数も追随する（もっとも当然のことながら、常に一つの入力マーク分遅れる）。この場合、特に回転数の変化が激しい場合、回転全体に渡って、出力マークとその理論的に正しいと推定される時間位置との持続的な偏差だけでなく、誤りの累積も生じる、即ち回転毎に生成されるマークの数が、理論的な目標値と一致しなくなる。

このため、回路部分（Ｄ）において、最後の回転トリガー以降に生成されたマークの数を連続的に計数する（Ｎマーク）。プログラム部分（Ｈ）で入力マーク（＝割込み）の計数と倍数の乗算によって算出した理論的な目標値とこの値とを信号プロセッサのプログラム部分（Ｅ）において比較する。そのプログラム部分において、この算出した偏差分だけ、回路（Ｆ）の予め設定する値を調整する。このようにして、生じた偏差は、（回転数が更に変化しない場合）次の入力マーク後には回復することとなる。この場合、精度を向上させるために、この発明にもとづき、回路（Ｄ）において、実際の出力マークの周期継続時間の百分の１の割合での変化成分も高い周波数で計測して、その値（％マーク）を同じく目標・実際値偏差の決定を改善するためのプログラム部分（Ｅ）に供給する。

プログラム部分（Ｃ）では、最後のｊ個の入力マークの継続時間をシフトレジスタに保存している。この場合、新しいマーク毎に最も古いものを廃棄することを繰り返している。ここで、プログラム部分（Ｇ）において、これらの値を用いて、外挿を行うことができる。最も簡単な場合、それは直線的な外挿であり、最初と最後の値から勾配を求めるものである。しかし、信号プロセッサの計算能力に応じて、多項式による近似を行うこともでき、多項式を外挿に利用するものである。それによって、次の入力マークに関する期待される周期継続時間が得られる。このようにして外挿法で推定した継続時間と最後の入力マークの実際の継続時間との差分は、プログラム部分（Ｋ）において、同じく回路（Ｆ）の予め設定する値を調整するための補正値として利用される。

この場合、ブロック（Ａ）、（Ｄ）及び（Ｆ）は、自由にプログラミングすることが可能なデジタルコンポーネント（ＦＰＧＡ）の形で、ブロック（Ｃ）、（Ｂ）、（Ｅ）、（Ｇ）、（Ｈ）及び（Ｋ）は、信号プロセッサ内のプログラムのソフトウェアモジュールとして実装される。

目標・実際値の偏差は、回転数の外挿でも予見することが可能な回転数の変化の結果であるので、算出された補正値は、プログラム部分（Ｂ）において逓倍により決定される回路（Ｆ）の予め設定する値に直接対応させるのではなく、それぞれ係数（ｋ１とｋ２）を付与される。そうすることによって、外部から制御動作に影響を与えることができる。倍数が小さい場合、これらの係数も小さく選定すべきである。６度の入力マークから０．１度の出力マークへの典型的な逓倍に関しては、０．５の係数が、それぞれｋ１とｋ２に推奨される。

この発明による方法の原理を示す模式図

符号の説明

Ａ 計測モジュール
Ｂ 計算モジュール
Ｃ バッファモジュール
Ｄ 計数モジュール
Ｅ 比較モジュール
Ｆ マーク生成モジュール
Ｇ 外挿モジュール
Ｈ 入力マーク用計数モジュール
Ｋ 補正モジュール
ｊ シフトレジスタに継続時間を保存する入力マークの数
ｋ１，ｋ２ 補正の係数
ｎ 周期継続時間の逓倍数
Ｔ_in 入力マークの周期継続時間
Ｔ_out 出力マークの周期継続時間

Claims (14)

1. 低い解像度の角度マーク信号を回転トリガーとしても検出し、低い解像度の角度マーク信号でのギャップからも回転トリガーを合成することができ、低い解像度の角度マークから、予め設定可能な倍率で逓倍した周波数を持つ角度マークを生成する、高い解像度の角度マーク信号を供給するための方法において、
   回転トリガーの発生以降に生成された高い解像度の出力角度マークを持続的に計数し、その計数値をそれぞれ新しい入力角度マークの発生時に回転トリガーの発生以降の入力角度マークの計数及び倍数の乗算によって算出した数と比較することと、
   その偏差に応じて、新しい入力角度マーク以後の出力角度マークの周波数を補正することと、
   を特徴とする方法。
2. 当該の回転トリガーの発生以降に生成された高い解像度の出力角度マークの計数に加えて、新しい入力角度マークの発生時点における実際の続く出力角度マークの周期継続時間の百分の１の割合での変化成分も算出して、その改善された偏差値に応じて、新しい入力角度マーク以後の出力角度マークの周波数の補正を更に実行することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 当該の予め設定可能な数の入力角度マークの周期継続時間を更に記録しておくことと、
   記録しておいた値から、次の入力角度マークの周期継続時間を外挿法で推定することと、
   最後に検出した入力角度マークの周期継続時間値と外挿法による周期継続時間の推定値との間の偏差に応じて、出力角度マークの周波数を補正することと、
   を特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 当該の周期継続時間を、直線的な外挿法で推定することを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 当該の周期継続時間を、多項式の近似による外挿法で推定することを特徴とする請求項３に記載の方法。
6. 当該の出力角度マークに関する補正値に、予め設定可能な係数を乗算することを特徴とする請求項１から５までのいずれか一つに記載の方法。
7. 当該の出力角度マークの周波数に関する倍率に比例した係数を設定することを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 当該の出力角度マークの周波数の適合を、生成された出力角度マークと同期しない形で行うことを特徴とする請求項１から７までのいずれか一つに記載の方法。
9. 低い解像度の角度マーク信号及び回転トリガー信号に関する入力と、入力した角度マーク信号を高い解像度で計測するためのモジュール（Ａ）と、周波数逓倍した角度マークを生成するためのマーク生成モジュール（Ｆ）と、マーク生成モジュール（Ｆ）を制御するための計算モジュール（Ｂ）とを有する請求項１から８までのいずれか一つに記載の方法を実施するための装置において、
   回転トリガー信号の発生以降にマーク生成モジュール（Ｆ）によって生成された出力角度マーク用の計数モジュール（Ｄ）と、
   検出した入力マーク用の計数モジュール（Ｈ）と、
   回転トリガーの発生以降に生成された高い解像度の出力角度マークの数を、それぞれ新しい入力角度マークの発生時に、回転トリガーの発生以降の入力角度マークの計数及び倍数の乗算によって算出した値と比較して、補正値を算出する比較モジュール（Ｅ）と、
   比較モジュール（Ｅ）の補正値に応じて、マーク生成モジュール（Ｆ）の設定値を補正するための補正モジュール（Ｋ）と、
   を特徴とする装置。
10. 計数モジュール（Ｄ）において、更に入力マークの入って来た時点での実際の出力マークの周期継続時間の百分の１の割合での変化成分も算出して、その値（％マーク）を同じく比較モジュール（Ｅ）に供給することを特徴とする請求項９に記載の装置。
11. 予め設定可能な数の入力マークの周期継続時間を一時的に保存するためのバッファモジュール（Ｃ）とそれらから次の入力マークに関する期待される周期継続時間を外挿法で推定する外挿モジュール（Ｇ）とが配備されており、補正モジュール（Ｋ）において、外挿法で推定した周期継続時間と最後のマークの本当の周期継続時間との間の差分に応じて、マーク生成モジュール（Ｆ）に対する設定値を補正することを特徴とする請求項９又は１０に記載の装置。
12. 少なくとも比較モジュール（Ｅ）と外挿モジュール（Ｇ）において、ポーリングルーチンを実装し、そのルーチンによって、補正モジュール（Ｋ）に供給される値と乗算するための値を取り込むことが可能であることを特徴とする請求項９から１１までのいずれか一つに記載の装置。
13. 計数モジュール（Ｄ）、入って来る角度マーク信号を高い解像度で計測するためのモジュール（Ａ）及び周波数逓倍された角度マークを生成するためのマーク生成モジュール（Ｆ）が、自由にプログラミングすることが可能なゲートアレイ（ＦＰＧＡ）による回路部分として実現されていることを特徴とする請求項９から１２までのいずれか一つに記載の装置。
14. マーク生成モジュール（Ｆ）を制御するための計算モジュール（Ｂ）、検出した入力マーク用計数モジュール（Ｈ）、比較モジュール（Ｅ）、補正モジュール（Ｋ）、バッファモジュール（Ｃ）及び外挿モジュール（Ｇ）が、信号プロセッサ内におけるソフトウェアモジュールとして実現されていることを特徴とする請求項９から１３までのいずれか一つに記載の装置。

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