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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zur Steuerung von Funktionen in einem Verkehrsmittel mit einem Steuergerät, das mit
weiteren Steuergeräten über einen
Datenbus vernetzt ist und einen ersten Mikrorechner zur Steuerung
der Kommunikation mit den anderen Steuergeräten und zur Bearbeitung der Steuerfunktionen,
insbesondere für
einen Motor, aufweist. Der erste Mikrorechner weist Mittel zur Steuerung
aufgrund von durch mindestens einen Sensor erfassten Daten auf und
es sind Mittel zur Berechnung von Steuerdaten, insbesondere für den Motor vorhanden,
die bei der Steuerung von Motorfunktionen unter hohem Rechenaufwand
berechnet werden.
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Ferner wird ein auf dieser Vorrichtung
ausführbares
Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors mit mehreren rotierenden
Wellen unter Schutz gestellt, wobei ausgehend von einer Nullstellung
jeder Welle die momentane Winkelstellung der Welle erfasst wird
und aufgrund der Winkelstellung jeder Welle die optimale Einspritzzeit
und/oder die Zündzeitpunkte
für das
Verbrennungsgemisch im Motor berechnet werden.
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Aus einer Veröffentlichung der Society of
Automotive Engineers durch Frank Emnett in „RTEC – A Microcontroller peripheral
optimized for real-time control of internal combustion engines" im Juni 2001 ist
der Real Time Engine Computer (RTEC) bekannt. Dort ist ein Motorsteuergerät zur Steuerung
des Motors vorgesehen, wobei ein Sensor an der Kurbelwelle und ein
Sensor an der Nockenwelle eines Verbrennungsmotors die Winkelpositionen
oder die Umdrehungen der Wellen pro Minute messen. Die gemessenen Werte
werden zur Berechnung der Stellung der Wellen herangezogen, woraus
dann eine Aktion für
die Motorsteuerung abgeleitet werden kann. Mögliche Aktionen zur Motorsteuerung
sind Ansteuerung der Einspritzdüse
oder Veränderung
des Zündzeitpunkts
im Motor. Zur Steuerung der Einspritzung sind Register mit einem
Kennfeld vorhanden, in dem separate Steuerdaten eingetragen sind.
Die Motorsteuerung kann bestimmte dieser separaten Steuerdaten verwenden,
um den Motor an diskreten Steuerungspunkten zu betreiben. Dadurch
sind mehrere diskrete Steuerungsmöglichkeiten vorhanden, wobei
die Steuerung jedoch auf die voreingestellten Werte beschränkt ist.
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Der im Rahmen des RTEC beschriebene Low
Resolution Prozessor erzeugt ein Triggersignal, um die Sensorerfassung
zu starten oder zu beenden. Dies ist notwendig, da der lediglich
eine Mikroprozessor zeitweise durch die Sensorwertbestimmung und Berechnung
in Echtzeit überlastet
ist und die anderen Steuerungsaufgaben sonst nicht mehr durchführen kann.
Der Low Resolution Prozessor erzeugt Interrupts, die zur optimalen
Auslastung des einen Mikroprozessors oder zur Bestimmung der Drehgeschwindigkeit
einer Welle geeignet sind. Diese Interrupts sind vorgesehen, um
den Mikrorechner selbst vor Überlastung
zu schützen,
haben also die Aufgabe den Berechnungsprozess zu starten oder zu
beenden. Die Interrupts werden nicht bei der Berechnung oder Steuerung
der Motorfunktionen selbst verwendet, bspw. um die Motordrehzahl
zu reduzieren.
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Der Real Time Engine Controller (RTEC) wurde
entwickelt, um Zugriffe auf den Mikrorechner zu verringern, die
von den sehr komplexen Berechnungsalgorithmen für die Motorsteuerung herrühren. Dazu
ist vorgesehen, dass die Winkelstellung oder die Rotation mehrerer
Wellen, beispielsweise der Kurbelwelle und der Nockenwelle, in Echtzeit
erfasst wird. Die Echtzeitberechnung erfolgt über den Low Resolution Prozessor
(LRP), wobei es sich aber nicht um einen Mikrorechner handelt, sondern
um einen passiven Speicher (RAM), in dem die vom Sensor erfassten
Daten und/oder bestimmte festgelegte Steuerdaten als Kennfeld abge speichert
sind. Dies führt dazu,
dass der Mikrorechner durch die eigentliche Berechnung der Steuerdaten
durch die Steueralgorithmen stark belastet ist. Beim RTEC sind Steuerdaten
in einem Kennfeld fest abgespeichert, um die großen Datenmengen durch den lediglich
einen Prozessor in Echtzeit überhaupt
berechnen zu können.
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Zur Steuerung von komplexen Verbrennungsmotoren,
beispielsweise 8-Zylinder V-Motoren mit zwei Kurbelwellen und mehreren
Nockenwellen oder zur Steuerung von Hybridmotoren bestehend aus
einem Verbrennungsmotor und einem Elektromotor, sind Steuerungen
aufgrund von Kennfeldern nicht ausreichend. Bei dem Ansatz mit einem
Mikrorechner, der die Winkelstellungs- oder Rotationsdaten der unterschiedlichen
Wellen in Echtzeit erfasst, stößt die vorhandene
Rechnerleistung bei herkömmlichen
Steuergerätekonzepten
an ihre Grenzen. Ein weiteres Problem besteht darin, dass bei Änderungen
des Motortyps, bisher jedes Mal auch eine Änderung in der Hardware erforderlich
ist, um die bei der Berechnung der Steuerdaten erforderlichen Leistungserfordernisse
für den
Mikrorechner zu erfüllen.
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Aus der
DE 40 21 251 C2 ist ein
Multiprozessorsystem bekannt, bei dem zwei Mikrocomputer über einen
externen Adressbus sowie einen externen Datenbus miteinander verbunden
sind. Dabei handelt es sich um zwei separate Steuergeräte, wie
diese heute in Verkehrsmitteln Standard sind. Die technische Lehre
gibt dabei an, auf welche Weise im Multiprozessorsystem eine Adressbildung
für den
externen Adressbus zwischen den beiden Steuergeräten vorgesehen sein kann. Gerade
bei sehr rechenintensiven Aufgaben stoßen derartig vernetzte Steuergeräte mit jeweils
einem Mikrorechner an ihre Grenzen, da die Steuerdaten nicht in
Echtzeit über
den Datenbus übertragen
werden können.
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Die
EP 240 667 A2 beschreibt ein Steuersystem,
insbesondere für
den Arm eines intelligenten Roboters, welches Parallelprozesse durchführen kann.
Dazu sind innerhalb eines Steuergeräts zwei Mikrorechner angeordnet,
die über
ein Dual-Port-RAM miteinander verbunden sind. Ein Mikrorechner ist
ein sogenannter Master und der zweite ist als sogenannter Slave-Prozessor
eingesetzt. Der Masterprozessor ist für die Organisation des Steuergeräts vorgesehen
und arbeitet bei Multiprozessorsystemen auch die Kommunikation mit
weiteren Steuergeräten
ab. Über
das Dual-Port-RAM ist eine Kommunikation zwischen den beiden Mikrorechnern innerhalb
des Steuergerätes
vorgesehen. Diese Kommunikation ist dabei Interrupt-gesteuert. Das
beschriebene Steuergerät
mit den beiden Mikrorechnern ist auf den Einsatz bei Robotersystemen
zugeschnitten und ist in der gezeigten Darstellung für die Steuerung
bei komplexen Motoren zur Steuerung der Motorleistung aufgrund der
Wellendrehzahl nicht geeignet.
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Die
FR
2 645 991 offenbart ein Datenbussystem mit untereinander
vernetzten Steuergeräten.
Eines der Steuergerät
hat eine Master-Funktion inne und wirkt mit mehreren Slave-Steuergeräten zusammen.
Derartige Systeme sind heute im Verkehrsmittel umgesetzt, sind jedoch
bei Echtzeit-Steuerungsaufgaben bzgl. der Wellendrehwinkel mehrerer
Wellen überlastet.
Es treten dabei solche Datenmengen auf, die durch ein Master-Slave-Netzwerk
nicht ohne Weiteres weiterverarbeitet werden können.
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Auch die
EP 829 635 A2 offenbart ein
Datenbussystem mit Steuergeräten
jeweils mit einem Standard-Mikroprozessor. Um eine Belastung des
Spannungsversorgungssystems zu vermeiden, ist die Zeitgeberschaltung
jeweils außerhalb
der Steuergeräte
angeordnet.
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Die
DE 197 50 662 A1 zeigt eine Prozessoreinheit
für ein
datenverarbeitungsgestütztes
elektronisches Steuerungssystem in einem Kraftfahrzeug. Es ist dabei
eine skalierbare Recheneinheit und ein separater Kommunikations-Coprozessor
vorgesehen, der die Datenkommunikation mit anderen Steuergeräten regelt.
Die beiden Mikrorechner der Prozessoreinheit sind jedoch nicht zur
Steuerung von Regelstrecken bezogen auf einen Verbrennungsmotor
in einem Verkehrsmittel vorgesehen, sondern der Coprozessor ist
ausschließlich
mit der Datenkommunikation eines Gateways be fasst. Sollte durch
diese Recheneinheit dennoch eine Motorsteuerung umgesetzt werden,
würde dies
in üblicher
Weise durch die eine, skalierbare Recheneinheit erfolgen, während der
Coprozessor die Gateway-Nachrichtentransformation, bspw. von CAN-
auf FlexRay-Protokoll erledigt, so dass die skalierbare Recheneinheit
durch die Gateway-Funktionalität
nicht belastet wird.
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Bezüglich des Steuerungsverfahrens
von unterschiedlichen Wellen eines Verbrennungsmotors offenbart
die
DE 197 14 963
A1 ein Verfahren, dass jeweils die Wellendrehgeschwindigkeit
erfasst und daraus ein Einspritzsignal erzeugt, um eine Brennstoffeinspritzung
einzuleiten. Es wird dabei nicht die Wellendrehzahl einer zweiten
Welle in Abhängigkeit von
der Wellendrehzahl einer ersten Motorwelle gesteuert, sondern es
wird abhängig
von den Drehzahlen der Einspritzvorgang beim Verbrennungsmotor verändert.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine
Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung von Motorfunktionen
in einem Verkehrsmittel bereitzustellen, die jeweils den sehr hohen
Berechnungsaufwand im Echtzeitmodus und die Erfassung der Drehzahldaten
der Wellen im Motor in verbesserter Weise erfüllen können.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch
1 gelöst.
Danach ist im Steuergerät ein
zweiter, nicht direkt mit dem externen Datenbus verbundener Mikrorechner
als Mittel zur Berechnung von Steuerdaten vorhanden. Zwischen dem
ersten Mikrorechner und dem zweiten Mikrorechner ist innerhalb des
Steuergerätes
eine Schnittstelle vorgesehen, über
die die unter hohem Rechenaufwand im zweiten Mikrorechner berechneten
Steuerdaten an den ersten Mikrorechner zur Steuerung der Verkehrsmittelfunktionen übertragbar
sind, und das Mittel ist zur Berechnung von Steuerdaten mit einem Zeitbestimmungsmittel
zu Erfassung der Zeitdauer der Steuervorgänge verbunden, wobei das Zeitbestimmungsmittel
beim Unter- bzw. Überschreiten
eines Grenzwertes ein Grenzwertsteuersignal erzeugt.
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Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass bei
einem vernetzten System mit vielen Steuergeräten, insbesondere für den Einsatz
bei der Motorsteuerung, neben dem bisher vorgesehenen Mikrorechner
ein zweiter Mikrorechner vorgesehen sein muss, der die Berechnung
der komplexen Echtzeit-Steuerdaten des Motors vorsieht. Diese Berechnung
ist ein sehr rechenintensiver Vorgang, der bisher durch logische
Schaltungen durchgeführt
wird, die je nach momentanem Motorarbeitspunkt aus einem Kennfeld Steuerdaten
für die
Motorleistung auswählen.
Bei den heute eingesetzten komplizierten V8- und V12-Motoren befinden
sich neben einer oder zwei Kurbelwellen mehrere Nockenwellen im
Motor, deren Umdrehungszahl gesteuert werden sollen. Wegen der großen in Echtzeit
zu verarbeitenden Datenmenge von den verschiedenen Drehzahl- und
Winkelsensoren an den Wellen und den komplexen Algorithmen und Steuermodellen
für diese
Motorentypen stößt man bei
Hochleistungsmotoren schnell an Grenzen.
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Erfindungsgemäß wird nun neben dem für die Kommunikation
und die Gesamtsteuerung des Motors vorgesehenen ersten Mikrorechner
ein zweiter Mikrorechner innerhalb des Steuergerätes eingesetzt, der für die Sensordatenverarbeitung
und Berechnung der komplexen Steueralgorithmen vorgesehen ist und über die
innerhalb des Steuergeräts vorgesehene
Schnittstelle die so ermittelten Steuerdaten an den ersten Mikrorechner
zur Gesamtsteuerung des Motors überträgt. Dadurch
werden die komplexen Rechenprozesse in Echtzeit auf einen dafür speziell
vorgesehenen zweiten Mikrorechner ausgelagert, so dass der erste
Mikrorechner bei der Kommunikation mit den anderen Steuergeräten ohne Nachrichtenkollisionen
mit den Echtzeitsignalen arbeiten kann.
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Der zweite Mikrorechner arbeitet
insbesondere die zeitkritischen Echtzeitsteuerprozesse ab, wobei
der erste Mikrorechner mehr Kommunikations- und Steueraufgaben abarbeitet,
die weniger zeitkritisch sind.
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Dem zweiten Mikrorechner ist ferner
ein Zeitbestimmungsmittel zur Erfassung der Zeitdauer einer Umdrehung
einer Motorwelle zugeordnet, wobei das Zeitbestimmungsmittel beim
Unter- bzw. Überschreiten
eines Grenzwerts ein Grenzwertsteuersignal erzeugt. An den verschiedenen
Wellen innerhalb des Motors sind bezogen auf den Steuerungsprozess
diverse Sensoren angeordnet, die die Winkelgeschwindigkeit, die
Winkelstellung oder die Umdrehungszahl pro Minute für jede Welle
bestimmen. Diese Daten werden dem zweiten Mikrorechner zur Verfügung gestellt,
um mittels der auf dem zweiten Mikrorechner vorgesehenen Steueralgorithmen
die für die
Motorsteuerung erforderlichen Steuerdaten zu berechnen. Diese Steuerdaten
werden dann vom ersten oder zweiten Mikrorechner an die Aktoren übertragen,
die die Motorleistung und die Drehzahl der Wellen veränderlich
steuern. Dies sind beispielsweise bei einem Verbrennungsmotor die
Zündimpulsgeber,
eine Einspritzdüse
oder die Einspritzpumpe.
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Das Zeitbestimmungsmittel erzeugt
auch ein Interruptsignal, wenn die jeweilige Welle eine Umdrehung
oder einen bestimmten Winkelbereich durchlaufen hat. Diese Interruptsignale
werden dann dem zweiten Mikrorechner zugeführt, um einerseits die Position
der Wellen festzustellen und andererseits auch bestimmte Grenzbetriebszustände des
Motors zu erfassen. Die Interruptsignale können für andere Steuerfunktionen oder
zur Synchronisation der Kommunikation auf ein oder mehrere Wellenumdrehungen
auch an den ersten Mikrorechner übertragen werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann aber auch
bei Hybridmotoren eingesetzt werden, wobei ein Elektromotor im Verhältnis zu
einem Verbrennungsmotor bezogen auf die Drehzahl gesteuert werden
muss. Dort werden dann neben den beim Verbrennungsmotor notwendigen
Aktoren zusätzlich Schalttransistoren
oder Thyristoren angesteuert, die den Motorstrom schalten. Auch
kann bei Elektromotoren die Steuerspannung gestellt oder geregelt
werden. Die Vorrichtung zur Steuerung von Motorfunktionen kann in
einem Verkehrsmittel auch zur Steuerung von Elektromotoren, beispielsweise
einem Startermotor, eingesetzt werden, der die Bremsenergie des
Verkehrsmittels in elektrische Energie umsetzt. Dabei steuert die
Vorrichtung zur Steuerung der Motor funktion den Elektromotor in
seiner motorischen oder Generatorfunktion, wie dies beispielsweise beim
Vier-Quadrantensteller bei Bahnfahrzeugen bekannt ist. Der Startermotor
kann durch die Vorrichtung zur Steuerung von Motorfunktionen auch
in seinem Generatorbetrieb beispielsweise bei einem Kraftfahrzeug
gesteuert werden, um die elektrische Energie beim Bremsvorgang in
die Kraftfahrzeugbatterie rückzuspeisen.
Der Einsatz der Vorrichtung zur Steuerung von Motorfunktionen ist
neben Verbrennungsmotoren auch bei Elektromotoren bzw. Elektrogeneratoren
vorgesehen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
kann auch bei Getrieben im Verkehrsmittel eingesetzt werden, wo
ebenfalls die Wellengeschwindigkeit gesteuert werden kann. Grundsätzlich kann
das mit den zwei Mikrorechnern ausgestattete Steuergerät aber bei
allen rechenintensiven Steuergeräten
innerhalb des Verkehrsmittels eingesetzt werden. Dazu gehören auch
Telematikfunktionen oder Berechnungen innerhalb eines Verkehrsmittels, die
einen hohen Rechenaufwand und eine Begrenzung bestimmter Steuerfunktionen
in Echtzeit erfordern.
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Die Vorrichtung zur Steuerung von
Motorfunktionen ist mit den beiden Mikrorechnern derart organisiert,
dass die rechenintensiven Steueralgorithmen auf dem zweiten Mikrorechner
durchgeführt werden.
Dadurch steht in Echtzeit eine erhöhte Rechenleistung zur Verfügung, wodurch
statt Kennfeldern exaktere Steueralgorithmen eingesetzt werden können. Durch
die erhöhte
Rechenleistung des zweiten spezialisierten Mikrorechners, können die
Echtzeitfunktionen auch mit rechenintensiven Algorithmen berechnet
werden, was wesentlich flexibler ist, als der Vergleich mit im voraus
für die
Steuerung hinterlegten Kennfelddaten. Dadurch können beim Verkehrsmittel in
Bezug auf die Umwelt und Motorleistung bessere Werte erzielt werden.
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Grundsätzlich werden die Steuerdaten
aus den einzelnen Winkelstellungsinformationen der Wellen berechnet,
die über
Sensoren erfasst werden. Dabei wird ein Drehwinkel für jede Welle
bezogen auf eine Ausgangsposition berechnet, wodurch bei 360° Umdrehung
eine vollständige
Umdrehung der Welle oder bestimmte kleinere Winkelabschnitte erfasst werden
können.
Auf diese Weise kann bei einem System mit mehreren gesteuerten Wellen
der Drehzahlunterschied der einzelnen Wellen zueinander bezogen
auf einen Momentanzeitpunkt aus den Sensorsignalen berechnet werden.
Diese Drehzahlunterschiede werden dann bei einer Ausführungsform
im Verhältnis
zueinander geregelt, wobei die Drehbewegung, insbesondere die Drehgeschwindigkeit,
einer ersten als Masterwelle bezeichnete Welle im Verhältnis zur
Drehbewegung der anderen Wellen gesteuert wird. Eine Welle ist dazu
als Masterwelle definiert, auf die bezogen die Winkelstellungsunterschiede
der anderen Wellen erfasst werden. Ein Berechnungsmittel verarbeitet
die zeitlichen Winkelstellungsunterschiede der einzelnen Wellen
bei der Steuerung der Rotation der Wellen über die Einspritzzeit und/oder die
Zündzeitpunkte.
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Innerhalb der Vorrichtung zur Steuerung
von Motorfunktionen, d.h. innerhalb eines Steuergerätegehäuses, ist
eine Schnittstelle am ersten oder zweiten Mikrorechner für ein Grenzwertsteuersignal
vorgesehen, um im ersten oder zweiten Mikrorechner Steuerfunktionen
für den
Motor aufgrund des Grenzwertsteuersignals zu berechnen. Durch die
Erzeugung eines Grenzwertsteuersignals beim Zeitbestimmungsmittel
können
Drehgeschwindigkeiten einzelner Wellen erfasst und beim Unter- bzw. Überschreiten
eines Geschwindigkeits- oder Drehwinkelgeschwindigkeitsgrenzwerts
wird ein Grenzwertsteuersignal vom Zeiterfassungsmittel erzeugt
und dem steuernden Mikrorechner als Grenzwertsteuersignal zur Verfügung gestellt.
Dabei kann das Grenzwertsteuersignal als Interruptsignal für den Mikrorechner über eine
separate Leitung zur Verfügung
gestellt werden, wodurch der Mikrorechner extrem schnell auf derartige
Extremsituationen des Motors reagieren kann. Dieses Steuerinterruptsignal
kann sozusagen als Alarmsignal direkt an die Interrupteingänge des
ersten oder zweiten Mikrorechners zur Verfügung gestellt werden. Auf diese
Weise entfallen eventuelle Übertragungslaufzeiten über die
Schnittstelle zwischen den beiden Mikrorechnern und dem Zeitbestimmungsmittel.
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Bei einer auf einen Verbrennungsmotor
bezogenen Ausführungsform
berechnet das Mittel zur Berechnung der Steuerdaten aufgrund der
Sensordaten die Einspritzung eines Fluids in den Motorbrennraum
und/oder die Zündzeitpunkte
des Motors. Dadurch können
die einzelnen Wellen separat angesteuert werden. Mehrere Sensoren
erfassen den Momentandrehwinkel jeder Welle im Motor und das Mittel
zur Berechnung von Steuerdaten bestimmt dabei den Winkelunterschied
zwischen den einzelnen Wellen. Über
die Aktoren im Motor, beispielsweise Zündung und Einspritzanlage,
werden dann die Winkelunterschiede bzw. die Laufzeitunterschiede
der einzelnen Wellen gesteuert bzw. geregelt.
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Die vorgeschlagene Vorrichtung zur
Steuerung von Motorfunktionen ist insbesondere deswegen sehr effektiv,
weil bei unterschiedlichen Motoren mit der zugehörigen Hardware das Steuergerät nicht ausgetauscht
werden muss. Es wird dabei lediglich die Aufspielung neuer Steueralgorithmen
auf dem zweiten Mikrorechner erforderlich, der für die spezielle Motorsteuerung
eingesetzt ist. Auf dem ersten Mikrorechner sind lediglich Funktionen
vorhanden, die beim Einsatz eines neuen Motors oder bei einem Tausch
eines Motors nicht verändert
werden müssen.
Infolge dessen müssen
lediglich bei einer neuen Hardware-Rekonfiguration Steueralgorithmen im zweiten
Mikrorechner verändert
werden. Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist die Vorrichtung
zur Steuerung von Motorfunktionen derart ausgebildet, dass im ersten
Mikrorechner die Steuergerätekommunikation
und die Diagnosefunktionen für
das Steuergerät
vorgesehen sind und im zweiten Mikrorechner unter Echtzeitbedingungen
die Wellenwinkelstellungsfunktionen von Masterwelle zu den anderen Wellen
und/oder die Wellenwinkelstellungsfunktion bezogen auf die Wellendrehzahlsteuerung
umgesetzt wird. Ferner kann im ersten Mikrorechner noch ein Funktionsblock
vorgesehen sein, der nur geringe Echtzeitsteuerungsanforderungen
beinhaltet, beispielsweise Funktionen die mit der Kraftstoffzufuhr zum
Motor zusammenhängen.
Durch diese spezielle Arbeitsaufteilung zwischen den beiden Mikrorechnern
können
rechenintensive Steuerungsprozesse unter Echtzeitbedingungen durchgeführt werden, ohne
dass der erste Mikrorechner durch seine Rechenauslastung im Bezug
auf die Steuergerätekommunikation
und die Abarbeitung anderer Aufgaben in einen Grenzbereich gelangt.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß auch durch
ein Verfahren zur Steuerung eines oder mehrerer Verkehrsmittelmotoren
mit mehreren rotierenden Wellen gelöst, wobei ausgehend von einer
Nullstellung jeder Welle die momentane Winkelstellung der Welle
erfasst wird und aufgrund der Winkelstellung jeder Welle die optimale
Ansteuerungsbedingungen für
Aktoren zur Beeinflussung der jeweiligen Winkelgeschwindigkeit im
Motor berechnet wird. Dabei wird eine Welle als Masterwelle definiert,
auf die bezogen die Winkelstellungsunterschiede der anderen Wellen erfasst
werden und die zeitlichen Winkelstellungsunterschiede der einzelnen
Wellen werden bei der Berechnung der Ansteuerung der Aktoren zur
Beeinflussung der Wellendrehgeschwindigkeit berücksichtigt. Bei Über- oder
Unterschreiten der Differenz des Winkelversatzes zwischen der Masterwelle
und einer betroffenen Welle wird letztere bezogen auf deren Winkelversatz
gesteuert. Zündsteuerungsmittel
sind als Aktoren zur Beeinflussung der Wellendrehgeschwindigkeit
in dem Verbrennungsmotor vorgesehen.
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Dieses Verfahren definiert eine Masterwelle, auf
deren Winkelgeschwindigkeit bzw. -drehzahl die anderen Wellen hin
geregelt bzw. gesteuert werden. Bei einem Verbrennungsmotor wird
beispielsweise eine Kurbelwelle als Masterwelle definiert, wobei eine
zweite Kurbelwelle derart gesteuert wird, dass die Schwungmassen
im Motor nicht zu einem Aufschwingen des Motors führen. Andererseits
können abhängig von
der Kurbelwellenstellung die zugehörigen Nockenwellen angesteuert
werden, so dass die Ventilöffnungszeiten
optimal auf die momentane Leistung und Drehzahl des Motors angepasst
werden. Auch kann eine elektromagnetische Ventilsteuerung als Aktor
in Abhängigkeit
von der erfassten Geschwindigkeit der Masterwelle angesteuert werden. Insbesondere
beim Über-
oder Unterschreiten der Differenz des Winkelversatzes zwischen der
Masterwelle und einer weiteren Welle, kann der Winkelversatz zwischen
den beiden Wellen bezogen auf deren Drehrichtung gesteuert werden.
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Bei dem Verfahren zur Steuerung eines
oder mehrerer Verkehrsmittelmotoren kann innerhalb des Steuergerätes, insbesondere
in einem von zwei Mikrorechnern, eine Synchronisation oder Anpassung von
Signalen eines Zeitgebers auf die Position einer Masterwelle erfolgen
und aufgrund dieser Synchronisationssignale lässt sich die Stellung von Kurbelwellen
und Nockenwellen aufgrund der an diesen Wellen angeordneten Sensoren
bestimmen. Aufgrund der detektierten Stellung der einzelnen Wellen
kann dann jede Welle in Bezug auf eine Masterwelle entsprechend
der Motorleistung und Motordrehzahl geregelt werden. Dazu sind im
zweiten Mikrorechner Regelalgorithmen hinterlegt. Aufgrund der Regelalgorithmen wird
dann die optimale Stellung jeder Welle bezogen auf einen momentanen
Zeitpunkt berechnet und daraus eine Beschleunigung oder Verzögerung in
der Drehwinkelgeschwindigkeit der Welle bewirkt. Diese Beschleunigung
oder Verzögerung
erfolgt aufgrund des Eingriffs in die Aktoren, d.h. Einspritzung,
Zündung
oder bei Elektromotoren in die Stromsteuerungsmittel.
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Bei dem Verfahren kann ein Grenzwertsteuersignal
durch das Zeiterfassungsmittel erzeugt werden, wenn eine Welle einen
Schwellwert über-
oder unterschreitet, d.h. aus dem charakteristischen Nenndrehzahlbereich
herausläuft.
Diese Steuerinterruptsignale unterscheiden sich jedoch von den bereits
bekannten Signalen dadurch, dass ein Interrupt beim Mikrorechner
aufgrund der Steuergrößen, d.h. der
Drehgeschwindigkeit, erzeugt wird und daraus ein besonderes Steuerungsprogramm
und gegebenenfalls ein Diagnoseprogramm in Betrieb gesetzt wird.
Es wird bei dem Verfahren ein Grenzwertsteuersignal beispielsweise
dann erzeugt, wenn besondere Betriebszustände erreicht werden. Dadurch wird
der Mikrorechner nicht in demselben Umfang belastet, wie dies der
Fall ist, wenn bei jedem empfangenen Sensorsignal ein Interrupt
erzeugt wird. Dadurch kann die Vorrichtung zur Steuerung von Motorfunktionen
auch bei höheren
Drehzahlen und bei Motoren mit vielen Wellen die Echtzeitfunktionen
effektiv durchführen.
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Durch den Einsatz eines zweiten Mikrorechners
der für
die zeitlichen Abläufe
und die Berechnung der Steueraktionen eingesetzt wird, kann die umständliche
Programmierung von einzelnen Zeitsignalen in Maschinensprache, wie
dies bei herkömmlichen
Steuergeräten
mit lediglich einem Mikrorechner erforderlich ist, entfallen. Bei
dem vorliegenden Verfahren werden Signalformen definiert und das Auslösen der
Steuersignale wird in Software mit Hochsprache programmiert, wodurch
sich die Programmierung der gesamten Steuerroutinen vereinfacht.
Derartige Steuerungsmodule können
durch sogenannte Flashverfahren, bei denen Software über eine
drahtlose Schnittstelle auf ein Steuergerät in einer Werkstatt aufgespielt
werden, leicht ausgetauscht werden. Auf diese Weise können Veränderungen
in der Motortechnik mit ein und demselben Steuergerät durch
Rekonfiguration der Hard- oder Software
erzeugt werden, so dass bei Veränderungen
im Motor nicht jedes Mal das Steuergerät ausgewechselt werden muss.
Beispielsweise wird dann ein Softwaremodul durch ein Flashverfahren
ausgetauscht.
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Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten,
die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten
und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die untergeordneten
Ansprüche
und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung einer Ausführungsform
zu verweisen. In der 1 ist
eine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
dargestellt.
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In 1 ist
als Vorrichtung ein Steuergerät mit
zwei Mikrorechnern 1, 2, wie diese zur Steuerung eines
Motors eines Verkehrsmittels zum Einsatz kommen, dargestellt. Die
Vorrichtung weist gekapselt in ein Gehäuse einen ersten Mikrorechner 1,
einen zweiten Mikrorechner 2, eine zwischen beiden Mikrorechnern 1, 2 angeordnete
Schnittstelle 3, jeweils mit einem Data Store Data Path
zum Flashen von Daten auf ein Speichermittel 4 und mit
einem Instruction Store Data Path zum Übertragen von Steu erdaten und
anderen Daten. Die Vorrichtung weist ferner einen Floating Point
Prozessor 5, eine Bus Interface Unit 6 zum Austausch
von Steuerdaten und von internen Kommunikationsdaten über den
internen Datenbus 7 oder über die internen elektrischen
Verbindungsleitungen des Steuergeräts auf. Ein Interrupt Controller 8 und
ein Zeiterfassungsmittel 9 sind vorgesehen, um den Steuerungsprozess
des Steuergeräts
und das erfindungsgemäße Verfahren
zu unterstützen.
Der interne Bus 7 tauscht über die sogenannte Bridge 10 Daten über den
Peripheriebus 11 und über
die Schnittstellen mit den Sensoren und den zu steuernden Aktoren 12 bis 16 sowie
mit den Datenbussen CAN und SCI über
die CAN-Schnittstelle 17 bzw. die SCI-Schnittstelle 18 aus.
Schließlich
ist noch eine weitere Schnittstelle 19 für eine Knockfunktion,
d.h. die Klopfsteuerung des Motors, vorgesehen.
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Das durch die Elemente 1 bis 19 gebildete Steuergerät ist beispielsweise über den
CAN- oder SCI-Bus mit weiteren Steuergeräten innerhalb des Kraftfahrzeugs
verbunden. Der Mikrorechner 2 führt im Wesentlichen Steuerungsberechnungen
durch, beispielsweise unter Verwendung des Floating Point Prozessors 5,
und empfängt über die
Schnittstelle 15 die Sensorsignale, die den Drehwinkel
einer oder mehrerer Kurbel- bzw. Nockenwellen erfasst. Aufgrund
der Signale der Sensoren werden die erfassten Daten über die
Schnittstelle 15 und den Peripheriebus 11 zum
Mikrorechner 2 übertragen.
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Anstatt des internen Busses 7 können die sensierten
Daten auch über
einzelne elektrische Leiter zum zweiten Mikrorechner 2 übertragen
werden. Der Mikrorechner 2 verarbeitet die Sensorsignale
so, dass für
jede Welle deren momentane Winkelstellung in Echtzeit erfasst wird.
Aufgrund der Winkelstellung der einzelnen Wellen untereinander oder
aufgrund der Rotationsgeschwindigkeit der einzelnen Wellen werden
diese in ihrer Rotationsbewegung gesteuert. Die Steuersignale werden
entweder im zweiten Mikrorechner 2 oder im ersten Mikrorechner 1 weiterverarbeitet
und die Steuerdaten werden dann wiederum über den internen Bus 7 und
den Peripheriebus 11 in Echtzeit an die Akto ren übertragen.
Beispielsweise werden die Steuerdaten an Einspritzdüsen über die
Schnittstelle 12 und über
den Pulsweitenmodulator 14 an die Zündung übertragen. Dadurch wird über den
gesteuerten Verbrennungsprozess auf die einzelnen Wellen steuernd
eingegriffen, so dass die Rotation der Wellen optimal zueinander
gesteuert wird. Auf diese Weise können auch einzelne Nocken einer
Nockenwelle unterschiedlich vom Mikrorechner 1 oder Mikrorechner 2 angesteuert
werden, so dass jedes Motorventil optimal angesteuert werden kann.
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Der erste Mikrorechner 1 hat
im Wesentlichen organisatorische Funktionen im Steuergerät durchzuführen. Dazu
werden einerseits die Kommunikationsaufgaben mit anderen Steuergeräten über die
Schnittstellen 17 und 18 sowie Diagnoseaufgaben
und spezielle Interruptsignale vom Interrupt Controller 8 abgearbeitet.
Ferner können
Steueraufgaben im Mikrorechner 1 bearbeitet werden, die
keine hohen Anforderungen an die Rechenzeit oder an Echtzeitbedingungen
stellen. Der zweite Mikrorechner 2 übernimmt vor allem die rechenintensiven
Steuerungsaufgaben und Sensordatenberechnungen zur Steuerung des
Motors im Verkehrsmittel. Auf diese Weise kann der erste Mikrorechner 1 die
organisatorischen und kommunikativen Aufgaben im Steuergerät übernehmen,
wobei die stark belastenden Echtzeitberechnungen dem speziell dafür vorgesehenen Mikrorechner 2 übergeben
werden. Eine Kommunikation zwischen dem ersten Mikrorechner 1 und
dem zweiten Mikrorechner 2 erfolgt über die Schnittstelle 3,
die wiederum über
einen schnellen Datenbus oder über
ein Dual-Port-RAM oder einzelne Signalleitungen erfolgen kann.
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Das Zeiterfassungsmittel 9 und
der zugeordnete Interrupt Controller 8 erzeugen neben den üblichen
Interruptsignalen für
die Mikrorechner 1, 2 auch Grenzwertsteuersignale,
wenn eine der Wellen einen der für
diese vorgesehenen Grenzwerte bei der vorgesehenen Rotationsgeschwindigkeit
oder dem zurückgelegten
Drehwinkel überschreitet.
Das Grenzwertsteuersignal wird dann entweder an den Mikrorechner 1 oder
den Mikrorechner 2 übertragen,
um einerseits der zu hochtourig laufenden Welle rotations hemmend
entgegenzuwirken und andererseits im Mikrorechner 1 eine
Diagnosefunktion zu starten.
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Das vor allem im Mikrorechner 2 durchgeführte Steuerungsverfahren
für den
Motor des Verkehrsmittels wird nun im Folgenden beschrieben. Der Mikrorechner 2 ist
ein Echtzeitsteuerungsrechner, der die Sensordaten von zwei Kurbelwellen
und die Sensordaten von unterschiedlichen Nockenwellen oder rotierenden
Nocken erhält.
Die beiden Kurbelwellen können
dabei zu einem komplexen V-Motor oder einem Hybridmotor gehören. Die
Sensoren geben die Position bzw. den Drehwinkel oder die Rotationsgeschwindigkeit
der Nocken oder Wellen an.
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Eine der Wellen gibt als Masterwelle
ein Signal vor, aus welcher die Position der Zylinder und die Motordrehzahl
berechnet werden kann. Die Sensoren messen die Drehgeschwindigkeit
der Wellen beispielsweise aufgrund von am Umfang angeordneten Zähnen, die
ein optisches Signal beeinflussen. Auf diese Weise lässt sich
die Drehbewegung der einzelnen Wellen unabhängig von einander berechnen,
so dass der zweite Mikrorechner 2 die Momentanposition
der einzelnen Wellen kennt. Das Zeitbestimmungsmittel 9 synchronisiert
dabei die einzelnen Signale bzw. bildet die Zeitbasis für die Erfassung
der Momentanpositionen jeder Welle.
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Die optimale Betriebssituation der
einzelnen Wellen im Motor ist über
mehrere Algorithmen im Mikrorechner 2 abgebildet, so dass
die Wellen jeweils einzeln in der optimalen Betriebsposition gesteuert werden
können.
Dies kann beispielsweise bei einem Verbrennungsmotor über die
Einspritzung und die Zündung
bzw. bei einem Elektromotor über
verschiedene elektronische Schalter wie Transistoren und Thyristoren
erfolgen.
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Die im Mikrorechner 2 vorgesehenen
Steueralgorithmen lassen sich bevorzugt in bekannten Hochsprachen
wie C, C++ oder Java programmieren. Ebenfalls können bestimmte Signalformen
als Steuersignale programmiert werden, die dann zur Ansteuerung
der Aktoren Verwendung finden. Dazu ist ein Pulsweitenmodulator 14 im
Steuergerät
vorgesehen, der je nach Ansteuerung des zweiten Mikrorechners 2 entsprechende
Signalformen abgibt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Steuerung
der Übersetzung
in einem Getriebe, bei verschiedenen Komfortfunktionen im Verkehrsmittel oder
zur Steuerung von Hybridantrieben eingesetzt werden. Ein rekonfigurierbarer
Mikrochip, beispielsweise ein Field Programable Gate Array (FPGA) kann
eine Rekonfiguration der Hardware zulassen, so dass bei Änderung
eines anzusteuernden Getriebes die Schnittstelle in ihrer Hardware
und in ihrer Software angepasst werden kann.
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Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
bei einem Nocken- oder Kurbelwellen-Steuerungsprozess existieren üblicherweise
zwei individuelle Kanäle,
wobei der eine die Sensorsignale der Kurbelwelle und der andere
Kanal die Sensorsignale der Nockenwelle oder Nocken für die Motorsteuerung
heranzieht. Daraus wird eine momentane Winkelposition des Motors
bestimmt und in Echtzeit als Momentanwert in einem Speicherbereich
des Mikrorechners 2 abgelegt. Der Mikrorechner 2 überprüft aufgrund
der Sensorinformationen der beiden Kanäle, ob die berechnete Motorstellung
möglich
ist und ob beide erfassten Informationen der Sensorkanäle zu demselben
Ergebnis bei der Motorstellung führen. Sind
beide Ergebnisse im Rahmen der vorgegebenen Bereiche, wird der zweite
Mikrorechner 2 die Motorstellung für einen momentanen Zeitpunkt
als richtig erfasst bewerten.
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Je mehr Wellen und Nocken innerhalb
eines Motors vorhanden sind, um so schwieriger wird es, eine eindeutige
Motorposition mit allen Wellen in der richtigen Position zu bestimmen.
Wegen der vielen Kanäle
und der unterschiedlichen Signale ist ein einzelner Mikrorechner
nicht mehr in der Lage, die komplexen Positionsbestimmungen und
Steuerfunktionen durchzuführen.
Da erfindungsgemäß der Mikrorechner 2 für die Echtzeitberechnungs- und Steuerungsfunktionen
bestimmt ist und ein Mastersignal einer als Masterwelle bestimmten
Welle bereitgestellt wird, las sen sich derartig komplexe Regelungsprozesse
noch durchführen.
Abhängig
von den Mastersignalen werden die Winkeldifferenzen bzw. die Differenzdrehgeschwindigkeiten
der anderen Wellen in Bezug auf das Mastersignal der Masterwelle
gesteuert. Die Masterwelle ist eine Welle, die innerhalb des Motors
eine hohe Priorität
besitzt, insbesondere eine Kurbelwelle oder die Hauptwelle eines
Elektromotors. Das Mastersignal kann dabei ein Positions-, ein Winkel-
oder ein Geschwindigkeitssignal sein.
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Der Mikrorechner 2 weist
gemäß der vorliegenden
Erfindung verschiedene Register auf, in denen bestimmte für die Steuerung
erforderlichen Werte einstellbar sind. Beispielsweise kann hier
eine Welle als Masterwelle festgesetzt werden. Andererseits kann
der Grenzwert oder Schwellwert festgelegt werden, ab dem eine rotierende
Welle als zu schnell oder zu langsam rotierend eingeschätzt wird.
Aufgrund dieses Grenzwertsignals kann ein Interrupt aufgrund einer
Fehlsteuerung an den Mikrorechner 1 oder den Mikrorechner 2 weitergegeben
werden. Ein weiteres Registersignal kann ein Lock-Signal sein, welches
angibt, unter welchem Winkelunterschied zwischen den Messsignalen
aus den verschiedenen Kanälen
eine rotierende Welle noch als in ihrer Momentanposition als richtig
bestimmt gilt. In den Registern werden verschiedene Variablen abgelegt,
die für die
Steuerung darüber
hinaus erforderlich sind. Dazu gehören beispielsweise Differenzverhältnisse
von Signalen, die eine vollständige
Umdrehung einer ersten Welle im Verhältnis zu einer vollständigen Umdrehung
einer zweiten Welle wiedergeben.
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Im Mikrorechner 2 bzw. in
dem dazugehörenden
Speichermittel 4 sind verschiedene Kennfelder abgelegt,
in denen Vergleichssignale für
das Sensorsignal oder bestimmte Steuerungsgrößen für die Berechnung der Steuerdaten
abgelegt sind. Aus den erfassten Positionen der einzelnen Wellen
wird dann der momentane Zustand des Motors erfasst und unter Kenntnis
der erforderlichen Leistung werden dann die optimalen Steuerdaten
zur Ansteuerung der Aktoren für
den Motor berechnet. Dazu können
beispielsweise die Einspritzmenge, die Einspritzzeit sowie der Einspritzdruck
und die Zündzeitpunkte
für den
Motor geregelt werden. Durch die Verteilung des rechenaufwendigen
Steuerungsprozesses auf den zweiten Mikrorechner 2 und
der Kommunikations- und der Diagnosefunktionen auf den ersten Mikrorechner 1 entsteht
ein effektives Motorsteuergerät,
das innerhalb eines vernetzten Datenbussystems im Verkehrsmittel optimal
einsetzbar ist.
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Die Sensoren erfassen die Position
der Welle, bspw. aufgrund einer Positionsmarke an der Welle, und
können
dadurch die Stellung oder die Drehgeschwindigkeit sensieren. Die
Sensorwerte werden an das erfindungsgemäße Motorsteuergerät übermittelt. Das
erfindungsgemäße Motorsteuergerät weist
einen ersten Mikroprozessor 1 auf, der wie bei konventionelle
Steuergeräten
die eigentliche Berechnung für die
Motorsteuerung ausführt
und die Kommunikation zu anderen Steuergeräten vorsieht. Ein zweiter Mikroprozessor 2 ist
vorhanden, um die Sensorwerte der Wellen zu verarbeiten. Der zweite
Mikrorechner 2 berechnet die Sensorsignale, die Stellung
der Wellen und deren Rotationsgeschwindigkeiten in Echtzeit, was
ein sehr rechenaufwendiger Prozess ist. Als Zeiterfassungsmittel 9 ist
dem zweiten Mikroprozessor 2 ein Timer zugeordnet, der
die Zeitdauer zwischen den Sensorsignalen berechnet.
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In dem erfindungsgemäßen Motorsteuergerät ist der
Timer 9 mit Interruptfunktionen versehen, die beim Überschreiten
einer Drehgeschwindigkeit einen Interrupt, d.h. ein Grenzwertsteuersignal,
direkt an einen oder beide Mikroprozessoren 1, 2 ausgibt. Die
Besonderheit des Zeiterfassungsmittels 9 besteht darin,
dass bei Ablauf oder Überschreiten
eines Wertes ein Interruptsignal ausgegeben wird, wodurch der Sensor
mit einem Mikrorechner 1, 2 synchronisiert wird.
Dabei wird bei einer bestimmten Position einer Welle ein Grenzwertsteuersignal,
d.h. ein Interruptsignal direkt an einen der beiden Mikrorechner 1, 2 abgegeben,
um ein Signal einer bestimmten Stellung der Welle zuzuordnen. Die
Synchronisierung kann auch auf eine bestimmte Stellung des Kolbens erfolgen,
bspw. auf dessen oberen Todpunkt.
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Um den Positionsversatz zwischen
zwei Nockenwellen zu messen, gibt der Sensor ein Signal, wenn eine
Nockenwelle in einer bestimmten Position ist. Das Zeiterfassungsmittel 9 erzeugt
in der bestimmten Position einen Interruptsignal, wodurch der zweite
Mikroprozessor 2 den Winkelversatz zwischen den beiden
Nockenwellen berechnen kann und bspw. den Winkel zwischen den Nocken
oder den Zündzeitpunkt
speziell steuern kann. Der zweite Mikroprozessor 2 übernimmt
die rechenintensiven Aufgaben und kann, darüber hinaus, mit einer höheren Auflösung arbeiten,
da er zwischen den Pulsen der Sensoren interpolieren kann.
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Im zweiten Mikroprozessor 2 werden
die Sensorsignale ausgewertet, und die Steuerung der Zündung und
der Einspritzung in Echtzeit berechnet. Im ersten Mikroprozessor 1 werden
Werte wie die Gaspedalstellung, Luftdurchsatz, Drosselstellung, Öltemperatur
und Batteriespannung und Lambda-Sensorwerte berechnet.