DE102007038540A1

DE102007038540A1 - Begleit-Chip zur Motorsteuerungs-Signalverarbeitung

Info

Publication number: DE102007038540A1
Application number: DE102007038540A
Authority: DE
Inventors: Stephen Schmitt; Juergen Hanisch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-08-16
Filing date: 2007-08-16
Publication date: 2009-02-19
Anticipated expiration: 2027-08-17
Also published as: CN101779028B; US20110202252A1; CN101779028A; DE102007038540B4; WO2009021815A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Begleit-Chip zur Motorsteuerungs-Signalverarbeitung, wobei der Begleit-Chip eine Signalverarbeitungs-Schaltung enthält, welche zur Berechnung der Interpolation und einer Tangentensteigung des Motorsteuerungs-Signals ausgebildet ist.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Begleit-Chip zur Motorsteuerung und ein Verfahren zur Steuerung von Motorsteuerungs-Signalen in einem Begleit-Chip nach Anspruch 1 und 10. Der Begleit-Chip wird im Folgenden auch als Companion-Chip bezeichnet.
Die Entwicklung von Hardware und Software für Motorsteuergeräte wird aufgrund des Kostendrucks im Automobilbereich bei gleichzeitiger Vorgabe neuer Abgasnormen immer schwieriger.
Zur Entlastung des Mikrokontrollers heutiger Steuerungen wird oftmals ein Companion-Chip eingesetzt, der den Mikrokontroller bei der Durchführung seiner Aufgaben unterstützt. Abhängig vom Einsatzzweck einer Steuerung erfordert dies die Aufteilung oder Partitionierung geforderter Funktionen zwischen dem Mikrokontroller und dem Companion-Chip. Diese kann zB beim Motormanagement eines Fahrzeugs gemäß den Anforderungen an die Drehzahlerfassung und Einspritzung vorgenommen werden.
Neben Algorithmen zur Filterung ist für viele Aufgaben der Signalverarbeitung im Companion-Chip eine Berechnung der Steigung oder eine Interpolation von Signalwerten notwendig. So ist beispielsweise der Schließzeitpunkt eines Einspritz- Bauteils an einer Änderung der Steigung im abgetasteten Signal zu erkennen. In modernen Dieselmotoren setzt sich mehr und mehr der Direkteinspritzer durch. Einspritzmenge und Zeitpunkt werden zunehmend nicht mehr mechanisch, sondern durch Module elektronisch gesteuert.
Eine Interpolation von Signalwerten wird notwendig, da durch das Multiplexing der ADC (Analog/Digital-Controller) Kanäle die Signale unter Umständen nicht in Echtzeit abgetastet werden können.
Bei der Motor-Einspritzung wird der Einspritzdruck in einem Druckspeicher (bis max 2000 bar) vorgehalten, wohingegen bei anderen Einspritzsystemen, der erforderliche Einspritzdruck erst aufgebaut wird, wenn er benötigt wird. Die elektrohydraulisch gesteuerten Einspritzdüsen sind gemeinsam mit dem Hochdruckrohr, das in den Druckspeicher mündet, verbunden. Es können so kurze Öffnungszeiten (Observationsfenster von 0,1 bis 0,2 ms) erreicht werden, die eine Vor- und Nach-Einspritzung realisierbar machen. Die Voreinspritzung (ist auch mit anderen Einspritzsystemen möglich) bewirkt einen kurzen Zündverzug und eine Geräuschreduzierung der anschließenden Verbrennung der Haupteinspritzung. Die Nacheinspritzung sorgt mit einem Katalysator für sinkende Stickoxidemissionen. Ein weiterer Vorteil dieses Einspritzsystems liegt darin, dass der Einspritzdruck unabhängig von der Motordrehzahl festgelegt werden kann, wobei der Einspritzdruck bei anderen Systemen mit steigender Motordrehzahl ebenfalls ansteigt.
Offenbarung der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen kostengünstigen und flexiblen Begleit-Chip zur Motorsteuerungs-Signalverarbeitung bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch einen Begleit-Chip zur Motorsteuerungs-Signalverarbeitung gelöst, wobei der Begleit-Chip eine Signalvorverarbeitungs-Schaltung enthält, welche zur Berechnung einer Interpolation und einer Tangentensteigung eines Motorsteuerungs-Signals ausgebildet ist. Ein wesentlicher Punkt des erfindungsgemäßen Begleit-Chips zur Motorsteuerungs-Signalverarbeitung besteht darin, dass die Berechnung für die Interpolation von Signalwerten und die Berechnung einer Tangentensteigung gemeinsam durchgeführt werden können. Dabei können diese Berechnungen vorteilhafter Weise mit einer gemeinsamen Hardware-Schaltung realisiert werden.
Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Begleit-Chips sind in den Unteransprüchen 2 bis 9 angegeben.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung, berechnet der Begleit-Chip die Interpolation gemäß der Formel:
x₂ einem Signalwert zum Zeitpunkt t₂ entspricht und sich auf einem Kurvenverlauf zwischen dem Signalwert x ' / 1 zum Zeitpunkt t ' / 1 und dem Signalwert x ' / 2 zum Zeitpunkt t ' / 2 befindet. Hierdurch wird eine Berechnung von der Interpolation günstig und flexibel durchgeführt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung, berechnet der Begleit-Chip die Tangentensteigung gemäß der Formel:

eine Tangentensteigung zwischen dem Signalwert x ' / 1 zum Zeitpunkt t ' / 1 und dem Signalwert x ' / 2 zum Zeitpunkt t ' / 2 ist. Hierdurch wird eine Berechnung von der Tangentensteigung günstig und flexibel durchgeführt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung enthält die Signalvorverarbeitungs-Schaltung eine Divisionsschaltung. Hierdurch werden eine Berechnung von der Interpolation und eine Berechnung von der Tangentensteigung mit einer gemeinsamen Hardware-Schaltung realisiert. Somit werden Berechnungen von der Interpolation und von der Tangentensteigung günstig und flexibel durchgeführt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung enthält die Divisionsschaltung einen sequentiellen Dividierer mit 3.000 Gattern und einer Taktfrequenz von 100 MHz. Hierdurch wird eine Signalvorverarbeitungs-Schaltung mit geringen Kosten und einer hohen Leistung realisiert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung enthält die Divisionsschaltung einen parallelen Dividierer mit 33.000 Gattern und einer Taktfrequenz von 31,5 MHz. Hierdurch wird eine Signalvorverarbeitungs-Schaltung mit geringen Kosten und einer hohen Leistung realisiert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung enthält die Signalvorverarbeitungs-Schaltung 15.000 Gatter. Durch diese Ausgestaltung wird eine effektive Abstimmung zwischen der Komplexität der Signalvorverarbeitung und zusätzlicher Komponenten wie Addierer und Subtrahierer sowie Pipelining und einer kostengünstigen Signalvorverarbeitung erreicht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Begleit-Chip dazu ausgebildet, einen Schließzeitpunkt eines Einspritz-Bauteils in Ansprechen auf eine Änderung einer Tangentensteigung in einem abgetasteten Signal zu erfassen. Durch diese Ausgestaltung wird eine günstige und zuverlässige Motorsteuerung erzielt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind Analog/Digital-Controller Kanäle, welche die Motorsteuerungs-Signale übertragen, in einer Multiplex-Einheit zusammengefasst. Durch diese Ausgestaltung wird eine günstige und zuverlässige Motorsteuerung erzielt.
Die vorstehende Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zur Steuerung von Motorsteuerungs-Signalen in einem Begleit-Chip gelöst, welches den Schritt eines Berechnens einer Interpolation und einer Tangentensteigung der Motorsteuerungs-Signale in einer Signalvorverarbeitungs-Schaltung enthält. Ein wesentlicher Punkt des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass Berechnungen für die Interpolation von Signalwerten und die Berechnung einer Tangentensteigung gemeinsam durchgeführt werden können. Dabei können diese Berechnungen mit einer gemeinsamen Hardware-Schaltung realisiert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Begleit-Chips zur Motorsteuerungs-Signalverarbeitung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Gleiche oder gleichwirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
1 zeigt einen Spannungsverlauf bei einer Piezo-Diesel-Einspritzung;
2 zeigt einen Kurvenverlauf zur Erläuterung der Berechnung einer Interpolation und einer Tangentensteigung;
3 zeigt einen Hardware-Aufbau zur Signalvorverarbeitung für die Berechnung einer Interpolation und einer Tangentensteigung; und
4 zeigt einen Ressourcenverbrauch in Gattern von Hardware-Dividierern.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt einen Spannungs-Kurvenverlauf 2 bei einer Piezo-Diesel-Einspritzung. Hohe Einspritzdrücke von aktuell mehr als 1.750 bar zerstäuben den Kraftstoff sehr fein. Die gleichmäßig präzise Zumessung sowohl kleinster als auch großer Kraftstoffmengen und die Schaltschnelligkeit erlauben es, das Einspritzprofil sehr genau an den jeweiligen Betriebszustand des Motors anzupassen.
Mit flexibler Mehrfacheinspritzung beispielsweise lässt sich der Brennverlauf im Zylinder formen und damit der Verbrennungsprozess optimieren. Dieselmotoren mit PCR (Piezo-Common-Rail) Einspritzung sparen gegenüber dem Otto-Saugmotor bis zu 25% Kraftstoff. Im Vergleich zu konventionellen Dieselmotoren bietet die PCR-Technik bis zu 15% Verbrauchsvorteil in der Gesamtfahrzeugabstimmung und erleichtert die Erfüllung der Emissionsnormen.
Eine leistungsfähige Piezo-Ansteuerung im Motorsteuergerät schöpft das technische Potenzial der Technologie aus. Zu den Vorteilen zählt hier die dauerhaft hohe Qualität der Einspritzung über die Laufleistung eines Nutzfahrzeugs. Zu diesem Zweck gleicht die Steuerung Fertigungstoleranzen und Umgebungseinflüsse aus. Der Piezo-Treiber kann die Eigenschaften eines Aktors auch für eine injektorselektive Ansteuerung nutzen, um mechanische und hydraulische Abweichungen zu kompensieren. Insgesamt ermöglicht die Piezo-Technologie damit präzise, sparsame und zuverlässige Einspritzsysteme.
In der Piezo-Diesel-Einspritzung ist der Startzeitpunkt 4 zum Öffnen des Einspritz-Bauteils im Spannungs-Kurvenverlauf 2 unmittelbar vor einem Spannungsabfall von 180 V auf nahezu 0 V erkennbar. Auf diesem Spannungs-Niveau folgt der Öffnungszeitpunkt 6. Anschließend ist der Schließzeitpunkt 8 des Einspritz-Bauteils an einer Änderung der Steigung im abgetasteten Signal zu erkennen. Ein Observationsfenster des Öffnungszeitpunktes 6 und des Schließzeitpunktes 8 hat dabei jeweils eine Dauer von ca 100 μs.
Eine Merkmalssuche zum Öffnen eines Öffnungsbauteils basiert zum Öffnungszeitpunkt 6 auf einer Minimumsuche im Spannungs- Kurvenverlauf 2. Eine Merkmalssuche zum Schließen des Öffnungsbauteils basiert zum Schließzeitpunkt 8 hingegen auf einer Plateausuche im Spannungs-Kurvenverlauf 2, dh auf einer Änderung des Gradienten der Steigung des Spannungs-Kurvenverlaufs 2.
Eine Interpolation von Signalwerten wird notwendig, da durch das Multiplexing der Analog/Digital-Controller Kanäle die Signale 6, 8 unter Umständen nicht in Echtzeit abgetastet werden können.
2 zeigt einen Kurvenverlauf zur Erläuterung der Berechnung für die Interpolation von einem Signalwert und die Berechnung einer Tangentensteigung des Signalwertes. Diese Berechnungen können mit einer gemeinsamen Hardware-Schaltung realisiert werden.
Hierbei lässt sich die Interpolation des Signalwertes x₂ durch die Formel
berechnen, wobei x₂ dem Signalwert zum Zeitpunkt t₂ entspricht und sich auf dem Kurvenverlauf zwischen dem Signalwert x ' / 1 zum Zeitpunkt t ' / 1 und dem Signalwert x ' / 2 zum Zeitpunkt t ' / 2 befindet.
Ferner lässt sich die Steigung der Tangente des Signalwertes gemäß der Formel
berechnet, wobei
die Tangentensteigung zwischen dem Signalwert x ' / 1 zum Zeitpunkt t ' / 1 und dem Signalwert x ' / 2 zum Zeitpunkt t ' / 2 ist.
Diese Berechnungen können mit einer gemeinsamen Hardware-Schaltung realisiert werden, die in 3 gezeigt ist.
3 zeigt einen Hardware-Aufbau zur Signalvorverarbeitung für die Berechnung einer Interpolation und einer Tangentensteigung.
Aus 2 und 3 geht hervor, dass für die Interpolation und Tangentenberechnung eine Division notwendig ist. Aus diesem Grund muss eine Hardwareschaltung diese Division implementieren. Dabei kommt es zu einem Trade-off zwischen Chipfläche und Geschwindigkeit. Eine günstige Realisierung der Division lässt sich in zukünftigen Implementierungen für Companion-Chips variabel auf vorbestimmte Anforderungen erstellen.
Ein sequentieller 24-Bit breiter Dividierer benötigt beispielsweise ca 3.000 Gatter bei einer Laufzeit von 35 Takten und einer Taktfrequenz von 100 MHz. Die Behandlung von 360 Analog/Digital-Umwandler Werten bei CSC-P (Combustion Signal Control – Pressure) würde somit 126 μs in Anspruch nehmen. Wird die Division auf dem PCP (Peripheral Control Processor) des TriCore^TM durchgeführt, so benötigt dieser 45 Takte mit einer Dauer von jeweils 12,5 ns bis 13 ns. Damit dauert die Berechnung eines Datums 0,5 bis 0,6 μs, und die Berechnung der 360 CSC-P Werte dauert 216 μs. Dies ist für zukünftige Motorsteuerungen inakzeptabel. Der Cortex-M3^TM unterstützt ebenfalls einen Divisionsalgorithmus in Hardware. Er liefert dabei eine Geschwindigkeit von 4 Bit/Zyklus.
4 zeigt einen Ressourcenverbrauch in Gattern von Hardware-Dividierern. In dieser Figur ist der Ressourcenverbrauch in Gattern von Hardware-Dividierern aus einer Synopsys^TM Designware-Bibliothek für einen Takt und mit zwei Pipelinestufen für verschiedene Taktfrequenzen dargestellt. Ein Hardware-Dividierer für den Companion-Chip wird zwischen einem rein sequentiellen und einem rein parallelen Dividierer liegen.
Die Signalvorverarbeitung wird zur Interpolation sowie zur Tangentenberechnung und zur Reduktion von Analog/Digital-Controller Daten verwendet. Ein zentraler Bestandteil der Signalvorverarbeitung ist, wie in 4 gezeigt, eine Divisionseinheit, für die es unterschiedliche Implementierungsvarianten gibt.
Die Divisionseinheit wird sich zwischen einem rein sequentiellen Dividierer mit 3.000 Gattern und 100 MHz Taktfrequenz und einem rein parallelen Dividierer mit 33.000 Gattern und 31,5 MHz Taktfrequenz bewegen. Aufgrund der Komplexität der Signalvorverarbeitung und zusätzlicher Komponenten wie Addierern und Subtrahierern sowie Pipelining werden für die Signalvorverarbeitung ca. 15.000 Gatter benötigt.

Claims

Begleit-Chip zur Motorsteuerungs-Signalverarbeitung, wobei der Begleit-Chip eine Signalvorverarbeitungs-Schaltung enthält, welche zur Berechnung einer Interpolation und einer Tangentensteigung eines Motorsteuerungs-Signals ausgebildet ist.
Begleit-Chip zur Motorsteuerungs-Signalverarbeitung nach Anspruch 1, wobei der Begleit-Chip die Interpolation gemäß der Formel
berechnet, wobei x₂ einem Signalwert zum Zeitpunkt t₂ entspricht und sich auf einem Kurvenverlauf zwischen dem Signalwert x ' / 1 zum Zeitpunkt t ' / 1 und dem Signalwert x ' / 2 zum Zeitpunkt t ' / 2 befindet.
Begleit-Chip zur Motorsteuerungs-Signalverarbeitung nach Anspruch 1, wobei der Begleit-Chip die Tangentensteigung gemäß der Formel
berechnet, wobei
eine Tangentensteigung zwischen dem Signalwert x ' / 1 zum Zeitpunkt t ' / 1 und dem Signalwert x ' / 2 zum Zeitpunkt t ' / 2 ist.
Begleit-Chip zur Motorsteuerungs-Signalverarbeitung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Signalvorverarbeitungs-Schaltung eine Divisionsschaltung enthält.
Begleit-Chip zur Motorsteuerungs-Signalverarbeitung nach Anspruch 4, wobei die Divisionsschaltung einen sequentiellen Dividierer mit 3.000 Gattern und einer Taktfrequenz von 100 MHz enthält.
Begleit-Chip zur Motorsteuerungs-Signalverarbeitung nach Anspruch 4, wobei die Divisionsschaltung einen parallelen Dividierer mit 33.000 Gattern und einer Taktfrequenz von 31,5 MHz enthält.
Begleit-Chip zur Motorsteuerungs-Signalverarbeitung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Signalvorverarbeitungs-Schaltung 15.000 Gatter enthält.
Begleit-Chip zur Motorsteuerungs-Signalverarbeitung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Begleit-Chip dazu ausgebildet ist, einen Schließzeitpunkt (8) eines Einspritz-Bauteils in Ansprechen auf eine Änderung einer Tangentensteigung in einem abgetasteten Signal (2) zu erfassen.
Begleit-Chip zur Motorsteuerungs-Signalverarbeitung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Analog/Digital-Controller Kanäle, welche die Motorsteuerungs-Signale übertragen, in einer Multiplex-Einheit zusammengefasst sind.
Verfahren zur Steuerung von Motorsteuerungs-Signalen in einem Begleit-Chip, welches den Schritt eines Berechnens einer Interpolation und einer Tangentensteigung der Motorsteuerungs-Signale in einer Signalvorverarbeitungs-Schaltung enthält.