DE602004004100T2

DE602004004100T2 - Verfahren zur bestimmung der energie eines klopfsignals einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE602004004100T2
Application number: DE602004004100T
Authority: DE
Inventors: Frederic Galtier; Jerôme TRESCAZES; Bertrand Danet
Original assignee: Siemens VDO Automotive SAS
Current assignee: Continental Automotive France SAS
Priority date: 2003-05-09
Filing date: 2004-04-30
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2024-05-01
Also published as: US20070000306A1; FR2854693B1; JP2006526103A; DE602004004100D1; US7263872B2; EP1623200B1; KR20060013649A; JP4448848B2; EP1623200A1; FR2854693A1; WO2004099750A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Energie eines Klopfsignals einer Brennkraftmaschine und insbesondere ein Verfahren, das im Wesentlichen digitale Mittel zum Berechnen einsetzt.
Für die Steuerung von Brennkraftmaschinen wird die Bestimmung der Energie eines Signals, das das Klopfen des Motors darstellt, häufig eingesetzt, wobei es sich um ein analoges Signal handelt, das zum Beispiel von einem Beschleunigungssensor stammt, der an der Maschine montiert ist, um auf die Steuerungsparameter einwirken zu können, insbesondere auf die Zündung. Diese Energie ist lange Zeit durch analoge Mittel bestimmt worden, indem das vom Sensor stammende Signal sowohl in einem Zeitfenster, in dem das Klopfen wahrscheinlich auftritt (FR-2 571 141), als auch in einem Frequenzbereich des kennzeichnenden Signals dieses Klopfens gefiltert wird, und anschließend, indem dieses gefilterte Signal gleichgerichtet und integriert wird.
Mit der Einführung leistungsstarker digitaler Prozessoren auf dem Markt sind neue, im Wesentlichen digitale Verfahren entwickelt worden.
Vom Stand der Technik, zum Beispiel aus US-Patentschrift 5,400,644, ist ein Verfahren zur Bestimmung des Klopfens bekannt, bei dem die Energie des Signals vom Sensor nach einem ersten Frequenzspektrum analysiert wird, das zwischen dem des Klopfens vermutet wird, und einem zweiten Spektrum, das das Geräusch der Maschine darstellt, wobei das Vorhandensein von Klopfen aus dem Vergleich dieser beiden Energien abgeleitet wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfachere und günstigere Lösung vorzuschlagen, die eine verbesserte Bestimmung des Klopfens vorschlägt. Hierzu umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die folgenden Schritte:

a) Formen des analogen Signals;
b) Umwandeln des analogen Signals in eine Abfolge digitaler Abtastwerte;
c) digitales Filtern;
d) Gleichrichten und
e) Integrieren des Signals, wobei bei diesem Verfahren i) das Formen des analogen Signals das Hinzufügen des Signals zu einer kontinuierlichen Komponente umfasst, die dafür angepasst ist, das geformte Signal positiv oder null wiederzugeben, ii) das digitale Filtern mittels eines Bandpassfilters mit unendlicher Impulsantwort erfolgt, dessen Übertragungsfunktion eine Nullstelle für die Nullfrequenzen aufweist.

Das Erhalten eines positiven Signals vor der Umwandlung ist günstig für die Umwandlung des analogen in ein digitales Signal. Die Tatsache, dass es erhalten wird, indem eine kontinuierliche Komponente hinzugefügt wird, erlaubt es, die spektralen Merkmale des vom Beschleunigungsmesser bereitgestellten Signals zu erhalten. Außerdem ist sie einfach und wenig kostspielig. Das Filter mit unendlicher Impulsantwort erlaubt es, eine gute Unterscheidung des Klopfens zu erhalten, indem er Besonderheiten jeder Maschine und deren eventueller Entwicklung berücksichtigt. Außerdem stellt er sich in Form einer linearen Gleichung dar, was es ermöglicht, die Berechnungen zu vereinfachen.
Um die Bestimmung des Vorhandenseins des Klopfens noch weiter zu verbessern, umfasst das Formen des analogen Signals gemäß einem zusätzlichen vorteilhaften Merkmal weiter eine Verstärkung des Signals im offenen Regelkreis durch eine analoge Verstärkung, die in Abhängigkeit von der Drehzahl der Maschine bestimmt wird.
Diese Lösung stellt ein einfaches, robustes und kostengünstiges Mittel dar, um ein Signal zu erhalten, das sich im optimalen Betriebsbereich des Analog-Digital-Wandlers erstreckt.
Vorzugsweise umfasst das Formen des analogen Signals außerdem ein Abtastfilter, um zu vermeiden, dass die Umwandlung des analogen in ein digitales Signal die Eigenschaften des Signals wesentlich beeinträchtigt.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist das Bandpassfilter in Form einer programmierbaren biquadratischen Zelle ausgeführt, deren Mittelfrequenz in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen der Maschine bestimmt ist.
Die Ausführung als biquadratische Zelle begrenzt die Anzahl der Speicherregister, die für das Filtern notwendig sind, und vereinfacht die Berechnungen. Da sich der Frequenzbereich, in dem die Information, die sich auf das Vorhandensein von Klopfen bezieht, in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen der Maschine verändert, wird somit die Bestimmung des Vorhandenseins von Klopfen verbessert, indem die Mittelfrequenz des Filters in Abhängigkeit von diesen Bedingungen angepasst wird.
Außerdem erfolgt die digitale Anwendung des Bandpassfilters erfindungsgemäß durch einen rekursiven Ausdruck in zwei Schritten, wobei der erste Schritt zu einer Zwischenvariablen führt, die die Berechnung der Nullstellen des Filters darstellt, wobei der zweite zur Berechnung der Pole dient. Somit können die gleichen Speicherregister des Mikroprozessors für die Berechnung der Nullstellen und anschließend für die Berechnung der Pole verwendet werden, sodass die Anzahl der Speicherregister durch zwei dividiert wird. Es ist auch möglich, die dem Ursprungssignal künstlich hinzugefügte kontinuierliche Komponente unmittelbar zu beseitigen.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung werden die Koeffizienten des Bandpassfilters (oder jedes anderen Parameters, der in dem erfindungsgemäßen Verfahren auftritt) einer zuvor berechneten Tabelle entnommen, in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen der Maschine. So wird die Ausführung zusätzlicher Berechnungen vermieden, um die Koeffizienten zu bestimmen.
Außerdem wird das Vorzeichen vorteilhafterweise durch ein Bit des Registers bestimmt, sodass der Schritt des Gleichrichtens durch Unterdrücken eines Vorzeichenbits eines Registers erfolgt, das den letzten filtrierten Abtastwert des Signals enthält.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung erfolgt der Schritt des Integrierens mittels einer digitalen Integrierschaltung mit konstanter Phase. So wird die Integrität der Frequenzinformation des Signals erhalten, die ein wesentliches Element bei der Bestimmung des Vorhandenseins von Klopfen darstellt.
Hierzu erfolgt die Anwendung der Integrierschaltung vorteilhafterweise durch eine diskrete Summation der gefilterten und gleichgerichteten Abtastwerte, der beim vorletzten Abtastwert der Wert der Summe wieder hinzugefügt wird.
Die Erfindung wird noch deutlicher anhand der folgenden Beschreibung, die mit Bezug auf die anhängenden Zeichnungen gegeben wird, in denen:
1 eine vereinfachte Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist,
2A eine Darstellung des analogen Signals ist, das von dem Beschleunigungsmesser bereitgestellt wird,
2B eine Darstellung des Signals von 2A nach dessen Formung nach einem Verfahren des Stands der Technik ist,
2C eine Darstellung des Signals von 2A nach dessen erfindungsgemäßer Formung ist.
Wie in 1 dargestellt, wird das analoge Signal, das von dem Beschleunigungsmesser bereitgestellt wird, in einem Verstärker 3 mit variabler Verstärkung V_A verstärkt, in Abhängigkeit von der Drehzahl der Maschine. Die Drehzahl der Maschine wird mittels eines Sensors 2 erfasst, der auf der Kurbelwelle montiert ist. Die Drehzahl wird aus den Informationen abgeleitet, die von dem Sensor 2 an eine Einheit 7 (zum Beispiel die Steuerungseinheit eines Motors, die auch ECU oder "Engine Control Unit" genannt wird) übermittelt werden, und dann an eine Einheit zum Berechnen 8 übermittelt, die die analoge Verstärkung V_A des Verstärkers 3 in Abhängigkeit von der Drehzahl bestimmt.
Die Verstärkung V_A wird so bestimmt, dass das aus dem Verstärker stammende Signal im Wesentlichen zwischen –2,5 V und +2,5 V liegt. Dieses Signal, das in 2A dargestellt ist, wird einem Signal mit konstantem Wert Wcnf hinzugefügt, das im Wesentlichen gleich 2,5 V ist, in einem Summator 4, sodass das Signal, das aus dem Summator ausgegeben wird, entweder positiv oder null ist, wie in 2C dargestellt.
Wie in 2B dargestellt, besteht der Stand der Technik darin, das Signal gleichzurichten, indem der negative Teil positiv gemacht wird, wodurch also die Eigenschaften des Signals verändert werden: insbesondere die Oberwellen-Hauptfrequenz des Ursprungssignals wird verdoppelt und zusätzliche Oberwellen werden erzeugt. Dies ist nicht akzeptabel, weil dann vollkommen künstliche zusätzliche Frequenzen auftreten. Wird hingegen das Spektralbild des Signals verwendet und dieses letztere verändert, stellt das erhaltene Signal nicht mehr das beobachtete Phänomen dar. Dieses Problem wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gelöst, das in diesem Stadium darin besteht, den konstanten Wert Wcnf hinzuzufügen, der die Frequenzbeschaffenheit im Spektrum nicht verändert.
Es wird dann in einem Analog-Digital-Wandler 6 in ein digitales Signal verwandelt, nach der Behandlung in einem Anti-Aliasing-Filter 5, das sämtliche Frequenzen unterdrückt, die höher als die Hälfte der Abtastfrequenz des Wandlers 6 liegen, gemäß dem Theorem von Shannon. In der Praxis ist nur der Teil des Signals, der dem Zeitfenster entspricht, in dem die Information, die sich auf das Klopfen bezieht, die ausgeprägteste ist, in digitale Abtastwerte umgewandelt. Dieses Zeitfenster wird in einer Einheit 9 in Abhängigkeit von Informationen bestimmt, die sich auf die Winkelposition ⎕ der Kurbelwelle beziehen, die von der Einheit 7 übermittelt werden.
Außerdem ist anzumerken, dass das Signal, das in den Analog-Digital-Wandler 6 eintritt, vorteilhafterweise zwischen 0 V und +5 V liegt, da die aktuell auf dem Markt erhältlichen Wandler, die das beste Qualität/Preis-Verhältnis bieten, diesen Eingangswertebereich akzeptieren.
Das Signal tritt anschließend in eine digitale Verarbeitungseinheit 10 ein, die aufeinander folgend ein Bandpassfilter 11, einen Gleichrichter 12 und eine Integrierschaltung 13 umfasst.
Das Bandpassfilter 11 ist ein Butterworth-Filter mit unendlicher Impulsantwort, dessen Übertragungsfunktion eine Null für die Nullfrequenzen umfasst und das mittels einer biquadratischen Zelle ausgeführt ist. Es ermöglicht, die Komponente Wcnf zu beseitigen, die in den Summator 4 eingegeben wurde. Das Bandpassfilter 11 ist durch einen Zähler (gebildet durch die Nullstellen) und einen Nenner (gebildet durch die Pole) in Form einer linearen Gleichung bestimmt, die von der Summe an Abtastwerten gebildet ist, von denen jedem ein Koeffizient an zugeordnet ist:
a₁·aktueller_Abtastwert + a₂·vorhergehender_Abtastwert + ... + a_n·letzter_Abtastwert, wobei n die Anzahl der Abtastwerte darstellt.
Das Bandpassfilter 11 umfasst eine „Nullstelle in der Nullstelle", was es ermöglicht, die kontinuierliche Komponente des abgetasteten Signals zu beseitigen, und da es linear ist, kann die zusätzliche Nullstelle, die auf der kontinuierlichen Komponente beruht, mit den anderen natürlichen Nullstellen zusammengefasst werden. Um die kontinuierliche Komponente Wcnf zu beseitigen, ist das Bandpassfilter in der Reihenfolge Nullstellen, dann Pole ausgeführt. Da die Struktur des Bandpassfilters 11 linear ist, hätte es jedoch auch in der Reihenfolge Pole, dann Nullstellen ausgeführt sein können, aber der zuvor genannte Vorteil wäre nicht erreicht worden. Um die Anzahl der Speicherregister des Mikroprozessors durch 2 zu dividieren, wird die Berechnung der Nullstellen und der Pole nacheinander ausgeführt, indem die gleichen Speicherregister des Mikroprozessors verwendet werden.
Außerdem werden die Koeffizienten von einer Einheit 14 bereitgestellt, die eine Wertetabelle umfasst, die von der Drehzahl N der Maschine abhängt, die von der Einheit 7 übermittelt wird, von der Last L der Maschine und der Temperatur T der Maschine, die von den anhängenden Sensoren übermittelt werden. Diese berücksichtigte Liste der Maschinenparameter ist nicht vollständig und kann je nach gewünschter Feinheit des Behandlungsgrads ergänzt werden.
Damit schließlich die Koeffizienten in einem Wertebereich bleiben, in dem der Prozessor eine zufriedenstellende Genauigkeit aufweist, werden die Koeffizienten durch eine Erfassungsverstärkung dividiert.
Um anschließend eine Darstellung der Energie zu erhalten, die sich auf das Klopfen bezieht, werden die gefilterten Werte im Gleichrichter 12 gleichgerichtet. In der Praxis wird das Vorzeigebit (im vorliegenden Fall beseitigt) für die Gesamtheit der Werte vereinheitlicht.
Dann werden die unterschiedlichen Werte in die Integrierschaltung 13 hinzugefügt. Um jedoch das Signal nicht außer Phase zu bringen, wird der vorletzte Wert der iterativen Summation (auf die n Abtastwerte) zu dem letzten Wert dieser Summation hinzugefügt.
Schließlich wird das Ergebnis mit der Erfassungsverstärkung multipliziert und durch eine Integrationskonstante dividiert (oder mit dem Kehrwert multipliziert), die von einer Einheit 15 in Abhängigkeit von den gespeicherten Maschinenparametern bereitgestellt wird (Drehzahl N der Maschine, Last L der Maschine und Temperatur T der Maschine im vorliegenden Beispiel). Es wird dann ein Wert KNKE erhalten, der den Zustand des Klopfens der Maschine darstellt.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Energie (KNKE) des Klopfsignals einer Brennkraftmaschine, des Typs, das ein analoges Signal verwendet, das von einem Sensor bereitgestellt wird, der mit der Maschine verbunden ist, umfassend die folgenden Schritte: a) Formen des analogen Signals, b) Umwandeln des analogen Signals in eine Abfolge digitaler Abtastwerte, c) digitales Filtern, d) Gleichrichten des Signals und e) Integrieren des Signals, wobei in diesem Verfahren: i) das Formen des analogen Signals das Hinzufügen des Signals zu einer kontinuierlichen Komponente (Wcnf) umfasst, die dafür angepasst ist, das geformte Signal als positiv oder null wiederzugeben, ii) das digitale Filtern mittels eines Bandpassfilters mit unendlicher Impulsantwort erfolgt, dessen Übertragungsfunktion eine Nullstelle für die Nullfrequenzen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Formen des analogen Signals auch eine Verstärkung im offenen Regelkreis des Signals durch eine analoge Verstärkung (V_A) umfasst, die in Abhängigkeit von der Drehzahl der Maschine bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Formen des analogen Signals außerdem ein Anti-Aliasing-Filter umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bandpassfilter in Form einer programmierbaren biquadratischen Zelle ausgeführt ist, deren Mittelfrequenz in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen der Maschine bestimmt ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die digitale Anwendung des Bandpassfilters durch einen rekursiven Ausdruck in zwei Schritten erfolgt, wobei der erste Schritt zu einer Zwischenvariablen führt, die die Berechnung der Nullstellen des Filters darstellt, wobei der zweite zur Berechnung der Pole dient.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Koeffizienten des Bandpassfilters und/oder die anderen Berechnungsparameter einer zuvor berechneten Tabelle entnommen werden, in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen der Maschine.
verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Gleichrichtens durch Beseitigung eines Vorzeichenbits eines Registers erfolgt, das den letzten filtrierten Abtastwert des Signals enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Integrierens mittels einer digitalen Integrierschaltung mit konstanter Phase erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anwendung der Integrierschaltung durch eine diskrete Summation der gefilterten und gleichgerichteten Abtastwerte erfolgt, der beim vorletzten Abtastwert der Wert dieser Summe wieder hinzugefügt wird.