Stand der Technik Die Winkelerfassung des Kurbelwinkels a der Kurbelwelle einer Verbrennungskraftmaschine erfolgt über ein Geberrad, welches an seinem Umfang gleichmäßig verteilt z Zähne aufweist. Der Winkelabstand zwischen den Zähnen des Geberrades beträgt ase. Mittels eines Drehzahlgebers, der als ein Sensorelement ausgebildet sein kann, wird der Zeitpunkt detektiert, zu dem ein Zahn den Drehzahlgeber passiert. Mittels einer dem Drehzahlgeber nachgeschalteten Erfassungseinrichtung wird die Zeitdifferenz zweier aufeinander folgender Zähne detektiert, die Segmentzeit tS. Aus dem Kehrwert der gemessenen Segmentzeit ts wird die Drehzahl gemäß der nachfolgenden Beziehung <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> ñ(k) = as, n 1<BR> <BR> <BR> <BR> 2 (k) = ----

ermittelt. Der Winkel zwischen zwei Zähnen des Geberrades läßt sich auf der Basis der zuletzt gemessenen Segmentzeit ts (k-1) gemäß nachfolgender Beziehung interpolieren: <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> α (t) = αsm t<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> ts (k-1)<BR> <BR> Die Drehzahl-und Winkelwerte n (k) und a (t) können durch Toleranzeinflüsse verfälscht werden. Zu solchen Toleranzeinflüssen sind Teilungsfehler am Geberrad, Anbaufehler von Drehzahlgeber und Geberrad an der Stirnseite der Kurbelwelle sowie Sensortoleranzen zu zählen. Dadurch weichen die einzelnen Segmentwinkel as (k) vom Idealwert (xsm nicht unerheblich ab.

Um die Folgen fertigungs-und montagetechnisch bedingter auftretender Toleranzen abzumildern, werden bei heutigen Anwendungen der Drehzahlerfassung nur einzelne, ausgewählte Zähne zur Signalermittlung und- auswertung herangezogen. Dadurch läßt sich zwar eine Verringerung des relativen Winkelfehlers 5 asile erzielen, jedoch wird dieser Vorteil durch eine Phasenverschiebung des Signales ts (k) erkauft, was nicht unerhebliche Nachteile in regelungstechnischer Hinsicht nach sich zieht.

Soll eine korrekte Winkelerfassung erfolgen, verbietet sich die Auswertung von Winkelsignalen, die an beliebig herausgegriffenen Zähnen des Geberrades ermittelt werden. Die Segmentzeiten ts (k) können auch bei einem idealen Geberrad an der Kurbelwelle aufgrund der Drehunförmigkeit des Verbrennungsmotores stark schwanken. Werden zu wenig Zähne des Geberrades zur Drehzahlermittlung ausgewertet werden, liefert die Gleichung

t a (t) =o Sm ts (k-1) Ergebnisse, die grob von den tatsächlichen Gegebenheiten abweichen können.

Aus DE-OS 44 06 606 ist eine Adaptionseinrichtung für ein Geberrad an einem Verbrennungsmotor bekannt geworden. Ein Geberrad wird dazu verwendet, Drehzahländerungen eines Verbrennungsmotors mit hoher Genauigkeit zu erfassen, um aus diesen einen Laufunruhewert zu berechnen. Ein solches Geberrad weist z. B. drei Segmente auf, die idealer Weise gleich lang sind, jedoch in der Realität meistens leicht voneinander abweichende Längen aufweisen. Um dadurch bedingte Meßfehler bei der Erfassung von Drehzahländerungen zu vermeiden, ist es bekannt, die tatsächlichen Längen durch ein Adaptionsverfahren zu ermitteln. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist so aufgebaut, daß sie für jedes Segment über mehrere Adaptionsfilter verfügt, um verschiedene Adaptionswerte für verschiedene Drehzahlbereiche zu erfassen. Es hat sich herausgestellt, daß in unterschiedlichen Drehzahlbereichen unterschiedliche Längen gemessen werden, was ein Fehler ist, der kompensiert werden muß, da die Länge eines Segmentes tatsächlich dauernd konstant ist.

Darstellung der Erfindung Mittels der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren lassen sich aus der Zeitdifferenz zweier aufeinanderfolgender Zähne genaue Winkel und Drehzahlwerte ermitteln, die nicht von Geberradtoleranzen beeinflußt werden. Die errechnete Drehzahl kann, um eine verbesserte Auslegung eines Reglers zu ermöglichen, nur eine minimale Phasenverschiebung gegenüber der analogen Drehzahl aufweisen.

Mittels der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren zur genauen Erfassung von Winkel und Drehzahl werden gemessene Segmentzeiten ts (k) um gelernte Geberradfehler korrigiert, so daß sich die überlagernden Einflüsse von Geberradfehlern und Drehunförmigkeit des Verbrennungsmotors voneinander trennen lassen.

Mit einem der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren wird die Drehunförmigkeit des Verbrennungsmotors aus dem Betriebspunkt des Motors, der durch die Drehzahl n, den Ladedruck p1, sowie die Einspritzmenge mE definiert ist, rekonstruiert. Dazu kann das Drehmoment durch dessen Gleichanteil Mo sowie n harmonische der ersten Hauptordnung des Verbrennungsmotors beschrieben werden.

Anstelle der Rekonstruktion der Drehunförmigkeit der Verbrennungskraftmaschine aus einem speziellen, wohldefinierten Betriebspunkt, kann die Drehunförmigkeit der Verbrennungskraftmaschine anhand der Frequenzanteile der Hauptordnungen des Motors bestimmt werden. Für diese Frequenzanteile lassen sich im Wege diskreter Fourier-Transformationen, über jeweils eine Kurbelwellenumdrehung der Betrag Cj und Phase (pj der zugehörigen Segmentzeitschwankung bestimmen.

Zeichnung Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.

Es zeigt : Fig. la die Winkelerfassung eines Geberrades durch einen Drehzahlgeber samt Auswertungsschaltung,

Fig. lb eine Drehzahlerfassung an ausgewählten Zähnen am Umfang eines Geberrades, wobei für die Signalauswertung eine Mittelwertbildung vorgesehen ist, Fig. 1 c eine schematische Darstellung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Fehlerermittlungsroutine mit einer Trennstufe, Fig. 2 die Gegenüberstellung eines Winkelsystemes von fehlerbehafteten Geberrad gegenüber dem wahren Winkel der Verbrennungskraftmaschine, Fig. 3 die Ausfilterung der Drehunförmigkeit des Verbrennungsmotors mittels eines Referenzmodelles und Fig. 4 das Ausfiltern der Drehunförmigkeit des Verbrennungsmotors mit n- Ordnungen entsprechenden Fourier-Transformationsstufen.

Ausführunasvarianten Fig. la gibt die Bestimmung von Segmentzeiten mit einem Geberrad gemäß einer Lösung aus dem Stand der Technik wieder.

Ein Geberrad 1, dessen Umfangsfläche 2 mit k Zähnen, beispielsweise 60 Zähnen versehen ist, ist an einer Geberradwelle 4 aufgenommen und rotiert im Drehsinn 3. Der Drehwinkel 5, der die Drehrichtung des Geberrades 1 identifiziert, ist mit a bezeichnet. Die einzelnen Zähne 11 sind mit aufeinander folgenden Abständen am Umfang 2 des Geberrades 1 aufgenommen. Die Zahnflanken der einzelnen Zähne 11 werden von einem Signalgeber 6 abgetastet, dem eine Signalauswertung 7 mit integrierter Zeiterfassung 8 nachgeordnet ist. Am Ausgang der Signalauswertung

7 steht als Ausgangssignal die ermittelte Segmentzeit ts (k), mit Bezugszeichen 9 bezeichnet, an.

Der Abstand der einzelnen am Umfang 2 des Geberrades 1 aufgenommenen Zähne 11 beträgt asM. Die Drehzahl wird aus dem Kehrwert der gemessenen Segmentzeit ts (k) bestimmt : <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> ñ (k) = ase<BR> <BR> <BR> <BR> 2 (k) tus (ka Der Drehwinkel 5 wird zwischen zwei Zähnen 11 unter Verwendung der aktuellen Zeit t seit Abtastung des letzten Zahns sowie der zuvor gemessenen Segmentzeit ts (k-1) interpoliert. <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> a (t) = asm<BR> <BR> <BR> (-1) In Fig. lb ist eine Drehzahlerfassung an ausgewählten Zähnen 12 am Umfang eines Geberrades dargestellt, wobei der Signalauswertung eine Signalmittelwertbildung implementiert ist.

Von der Gesamtheit der am Umfang 2 des Geberrades 1 aufgenommenen Zähne 11 werden lediglich ausgewählte Zähne 12 zur Signalauswertung 7, 8 herangezogen. Die Zähne 12 werden häufig so ausgewählt, daß die Drehzahlförmigkeit des Verbrennungsmotors bei der Zeitmessung 8 nicht in Erscheinung tritt. Analog zur in Fig. la wiedergegebener Darstellung werden die ausgewählten Zähne 12 durch einen Signalgeber 6 abgetastet, dessen Signal an eine Signalauswertung 7 samt integrierter Zeitmessung 8 übertragen wird. Deren

Ausgangssignal ts (k), der Segmentzeit entsprechend und mit Bezugszeichen 9 identifiziert, wird sowohl einer Korrektureinheit 14 zugeleitet als auch in einer Mittelwertbildungsstufe 13 in eine normierte Segmentzeit umgewandelt tSM (k), der mittleren Segmentzeit entsprechend. Sowohl das Ausgangssignal der Signalauswertung 7 ts (k) als auch die normierte Segmentzeit tSM (k) werden der Korrektureinheit 14 zugeleitet, welche ihrerseits eine normierte Segmentzeit TSN (k) ermittelt, mit Bezugszeichen 15 bezeichnet. Dieses Ausgangssignal der Korrekturstufe 14 wird an eine Lemstufe übertragen, in welcher aus dem Signal TSN (k) derjenige Signalteil gelernt wird, der von den Geberradfehlem herrührt Das die Lernstufe 16 verlassende Signal TSNF (k), mit Bezugszeichen 20 bezeichnet, stellt die Segmentzeitabweichungen aufgrund von Geberradfehlern dar.

In der Darstellung gemäß Fig. le ist eine schematische Darstellung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Fehlerroutine wiedergegeben.

Das Geberrad 1, auf dessen Umfangsfläche 2 sich eine Vielzahl von Zähnen 11 befindet, hier mit dem Laufindex von k = 0 von k = z bezeichnet, wird über ein Signalgeber 6 abgetastet. Das Geberrad 1 befindet sich auf einer Geberradwelle 4 aufgenommen, welche im Drehsinn 5 rotiert. Die Signale des Signalgebers 6 werden an eine Signalauswertung 7 mit integrierter Zeitmessung übertragen, deren Ausgangssignal die Segmentzeit ts (k), mit Bezugszeichen 9 bezeichnet, darstellt. Analog zur in Fig. lb wiedergegebenen Darstellung wird die Segmentzeit ts (k) sowohl einer Mittelwertbildungsstufe 13 als auch einer Korrektureinheit zugeleitet. Aus der Segment ts (k) wird durch die Mittelung über eine Kurbelwellenumdrehung die mittlere Segmentzeit tSM (k) berechnet, mit Bezugszeichen 10 bezeichnet. Dieses Signal wird ebenfalls der Korrektureinheit 14 zugeführt. Der Korrektureinheit wird das Signal der normierten Segmentzeit TSN (k) aus der Division von der Segmentzeit ts (k) durch tSM (k) ermittelt. Die normierte Segmentzeit 15 wird innerhalb einer Fehlerroutine 19 korrigiert. Die

Fehlerroutine 19 enthält eine Trennstufe 18, in welcher die Trennung der Geberradfehler von den Motoreffekten wie beispielsweise der Drehunförmigkeit erfolgt. Das aus der Trennstufe 18 hervorgehende Signal TSNG (k) stellt die Wechselanteile des Signales am Filterausgang dar und ist im stationären Betrieb der Verbrennungskraftmaschine ausschließlich auf Geberradfehler zurückzuführen. Sie werden mit einem der Trennstufe 18 nachgeschalteten Adaptionsverfahren innerhalb eines Lernfilters 16 ausgewertet. Am Ausgang der Lernstufe 16 stehen die gelernten Segmentzeitabweichungen aufgrund von Geberradfehlern in Form des Signales TSNGf (k) zur Verfügung, mit Bezugszeichen 20 identifiziert.

Liegt das Signal 20, d. h. die Segmentzeitabweichungen aufgrund von Geberradfehlern TSNGf (k) vor, können anstelle der verfälschten Drehzahl n (k) die von Geberradfehlern bereinigten Drehzahlsignale ni (k) und n2 (k) erzeugt werden : <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> ni (k) = . <BR> <BR> <P> 2 # tS (k)#[1 - TSNGF (k)] und αSM 1 n2 (k) = .

2# tSM (k)#TSNG (k)#[1-TSNGf (k)

Das Signal ni (k) enthält im Gegensatz zum Drehzahlsignal n2 (k) die Drehunförmigkeit der Verbrennungskraftmaschine.

Das Ausgangssignal 20 kann außerdem dazu benutzt werden, um eine genauere Winkelinterpolation zwischen zwei Zähnen 11 des Geberrades 1 zu erzielen. Um eine Systemaktion (zum Beispiel das Schalten eines Magnetventiles in der Kraftstoffversorgung) beim Winkel asot) zu erreichen, muß der wahre Winkel OlSoll in das fehlerbehaftete Winkelsystem a* des Geberrades 1 abgebildet werden. Dies erfolgt gemäß der nachfolgend wiedergegebenen Beziehung : α*Soll = (αsoll - # α)#[1 - TSNGf(k-1)] Aa ist die Abweichung des Zahnes 11 mit der Adresse k-1 gegenüber dem wahren Winkel.

In Fig. 2 ist die Gegenüberstellung eines Winkelsystems an einem fehlerbehafteten Geberrad 1 dem wahren Winkel der Verbrennungskraftmaschine gegenübergestellt. Mit Bezugszeichen 21 ist das Winkelsystem des fehlerhaften Geberrades 1 bezeichnet, während Bezugszeichen 24 den tatsächlichen Winkel der Verbrennungskraftmaschine bezeichnet. Mit 22 ist ein beliebiger Zahn 11 des Geberrades l identifiziert, während mit Bezugszeichen 23 der Folgezahn am Geberrad l gekennzeichnet sein soll. Die Abweichung bot eines Zahnes mit der Adresse"k-1"gegenüber dem wahren Winkel 24 der Verbrennungskraftmaschine läßt sich aus der nachfolgenden Beziehung bestimmen : Mit (XSM Winkelabstand der Zähne 11 am Umfang 2 des Geberrades 2.

Der Winkelversatz ist in der Fig. 2 mit Bezugszeichen 25 bezeichnet, während der Kurbelwellenwinkel mit a bezeichnet ist.

In den Fig. 3 und 4 sind zwei erfindungsgemäße Verfahren zur Ausfilterung der Drehunförmigkeit des Verbrennungsmotores mittels eines Referenzmodelles bzw. mittels einer Fourier-Transformation wiedergegeben.

Diese Ausfilterungsverfahren zur Drehunförmigkeit der Verbrennungskraftmaschine sind innerhalb der Fehlerroutine 19 gemäß Fig. I c in der Trennstufe 18 implementiert. Die Trennstufe 18 enthält entweder das Referenzmodul 27 gemäß Fig. 3 oder einen Ordnungsfilter 37 gemäß der Fig. 4, wie nachfolgend dargestellt werden wird.

Mittels des in Fig. 3 wiedergegebenen Referenzmodells 27 wird die Drehunförmigkeit des Verbrennungsmotores aus dem Betriebspunkt des Motors, der durch die Drehzahl n, den Ladedruck pi sowie die Einspritzmenge mE definiert wird, abgebildet. Das Drehmoment einer Verbrennungskraftmaschine kann durch seinen Gleichanteil Mo sowie n Harmonische der ersten Hauptordnung der Verbrennungskraftmaschine beschrieben werden :

m stellt die Ordnungszahl der ersten Hauptordnung und a den Kurbelwinkel 26 der Verbrennungskraftmaschine dar. Für einen gegebenen Betriebspunkt können die einzelnen Wechseldrehmomente in obiger Gleichung zum resultierenden Wechseldrehmoment M J, pps zusammengefaßt werden : Sei J das Massenträgheitsmoment der Verbrennungskraftmaschine, so bewirkt das Drehmoment M (a) bei einem idealen Geberrad 1 mit dem Winkel αSM zwischen den Zähnen 11, den Segmentzeitverlauf ts (a) : Demnach läßt sich der Verlauf von TSND (a) mit Bezugszeichen 36 bezeichnet in Abhängigkeit der Betriebsgrößen Drehzahl n, Ladedruck p, sowie Einspritzmenge ME in mehreren Tabellen 29 innerhalb der Motorsteuerung ablegen. Für jeden Zahn 11 mit der Adresse"kk"läßt sich ein Tabelleneintrag TSNG (k) ablegen.

Damit läßt sich das gesuchte Signal TSNG (k) wie folgt berechnen : TSNG (k) =-'-+TsND (k) tsal

In Fig. 3 ist dieser Zusammenhang dadurch repräsentiert, daß die Segmentzeit ts (k) mit Bezugszeichen 9 sowie die mittlere Segmentzeit tsm (k) einer Korrektureinheit 14 zugeleitet werden, aus der durch Division die normierte Segmentzeit tSN (k) (Bezugszeichen 15) erzeugt wird. Das Signal 15 sowie das vorstehend ermittelte Signal 36 werden einer Summationsstelle zugeführt, an welcher das gesuchte Signal TSNG (k) gebildet wird. Am Divisor 35 wird das Massenträgheitsmoment der Verbrennungskraftmaschine entsprechend berücksichtigt, wobei der Devisor 35 neben dem Massenträgheitsmoment den an der Summationsstelle 34 ermittelten Wert der Drehzahlverknüpfung 31, der Druckverknüpfung 32 sowie der Einspritzmengenverknüpfung 33 zugeführt wird.

Bei bestimmten Motorbauarten, insbesondere 4-und 6-Zylinder-Reihenmotoren besteht eine Variante des in Fig. 3 dargestellten Verfahrens darin, bei der Bestimmung von TSND (a) nur die erste Hauptordnung des Motors zu berücksichtigen (n = 1). Dabei wird der Motorbetriebspunkt, in dem das Lernverfahren aktiviert wird, so gewählt, daß das Ausgangssignal 36 TSND (a) den Wert Null annimmt.

Eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Fig. 4 dargestellt. Bei dem in Fig. 4 dargestellten Verfahren, welches gemäß Fig. 1 in der Fehlerroutine 19 implementiert werden kann, wird die Drehunförmigkeit der Verbrennungskraftmaschine mittels eines Ordnungsfilters abgetrennt. Zum Ausfiltern der Drehunförmigkeit des Verbrennungsmotors wird die Tatsache ausgenutzt, daß diese Drehunförmigkeit nur Frequenzteile auf den Hauptordnungen des Motors aufweist. Mittels diskreter Fourier-Transformation (DFT) wird für diese Frequenzen über jeweils eine Kurbelwellenumdrehung der Betrag cj und die Phase (pi der entsprechenden Segmentzeitschwankungen bestimmt. Eine nomierte Segmentzeit TSN (k), mit Bezugszeichen 15 bezeichnet, läßt sich beschreiben als Summe der ermittelten Frequenzanteile cj sowie einem Restsignal TSNC, (k)

Hierbei ist m die Ordnungszahl der ersten Hauptordnung und a der Kurbelwinkel 26 der Verbrennungskraftmaschine. Der Index x kennzeichnet die laufende Nummer der Kurbelwellenumdrehung für die jeweils Betrag c und Phase (p ermittelt wurde. Das um die Drehzahlunförmigkeit bereinigte Signal TSNG (k) kann konstruiert werden, indem von der normierten Segmentzeit TSN (k) die aus der vorangehenden Kurbelwellenumdrehung"X-1"bestimmten Signalanteile auf den Hauptordnungen des Motors abgezogen werden : In zur Fig. 3 analoger Weise wird auch bei diesem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren an einer Korrektureinheit 14 die Segmentzeit ts (k) Bezugszeichen 9 durch die nomierte Segmentzeit tSM (k), Bezugszeichen 10, dividiert. Das an der Korrektureinheit 14 anstehende Ausgangssignal 15 TSN (k) stellt die nomierte Segmentzeit dar. Dieses Signal wird einer Subtraktionsstufe zugeführt, wo die der obigen Gleichung entsprechenden Subtraktionsvorgänge zur Ermittlung des Signales TSNG (k) erfolgen. Innerhalb des Ordnungsfilters 37 sind den Hauptordnungen der Verbrennungskraftmaschine jeweils diskrete Fourier- Transformationsstufen 38 bzw. 43 zugeordnet. Die ermittelten Werte für den Betrag 38. 1 sowie für die Phase 38. 2 bzw. 43. 1 und 43. 2 werden jeweils in Speichern 39 abgelegt, wobei sowohl der Kurbelwellenwinkel a als auch die Phase (p in die Berechnung des Winkelanteiles 40 bzw. 44 eingehen. Die Werte der Speicher 39 und diejenigen der Winkelermittlung 40 bzw. 44 werden verknüpft und einer Additionsstufe 42 zugeleitet, deren Ausgangssignal an die Subtraktionsstufe zur Ermittlung des Signales TSNG (k) eingehen.

Die Elimination der Hauptordnungen des Motors unter Benutzung der diskreten Fourier-Transformationen (DFT) bietet gegenüber anderen Filterungsverfahren den Vorteil, daß die übrigen Motorordnungen hinsichtlich Betrag c und Phase cp nicht verändert werden. Diese Tatsache ist wichtig, da die auf diese Ordnungen verteilten Fehler am Geberrad l sonst nicht korrekt rekonstruiert werden könnten und nur unzureichenden Eingang in die Signalkorrektur finden würden.

Bezugszeichenliste 1 Geberrad 2 Umfangsfläche 3 Drehsinn 4 Geberradwelle 5 Drehwinkel 6 Signalgeber 7 Signalauswertung 8 Zeitmessungen 9 Segmentzeit ts (k) 10 mittlere Segmentzeit tSM (k) 11 Zähne 12 ausgewählte Zähne 13 Mittelwertbildung 14 Korrektureinheit 15 nomierte Segmentzeit TSN (k) 16 Lernstufe 17 Lernstufen korrigiertes Signal TSNf (k) 18 Trennstufe 19 Fehlerermittlungsrouüne 20 Segmentabweichungen durch Geberradfehler 21 Fehlerbehaftetes Geberrad-Winkelsystem 22 Zahn 23 Folgender Zahn 24 Tatsächlicher Winkel 25 Winlcelversatz Aa 26 Kurbelwellenwinkel a 27 Referenzmodell 28 Eingang

29 Tabellen mit Zuordnung Wert-Geberradzahn 30- 31 Drehzahlverknüpfung (normiert) 32 Druckverknüpfung (normiert) 33 Einspritzmenge (nonniert) 34 Additionsstufe 35 Trägheitswert Motorträgheitsberücksichtigung 36 Ausgangssignal TSND (k) 37 Ordnungsfilter 38 Diskrete Fourier-Transformation erste Hauptordnung 38. 1 Betragswert c 38. 2 Phasenwert (p 39 Speicher 40 Winkelparameterermittlung 41 Verknüpfung 42 Additionsstufe 43 Diskrete Fourier-Transformation n-te Hauptordnung 44 Winkelparameterermittlung